[发明专利]一种PI/Ag气凝胶复合光催化材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供一种PI/Ag气凝胶复合光催化材料及其制备方法和应用。所述PI/Ag气凝胶复合光催化材料制备方法包括：S1.以二胺和二酐作为反应的前驱体，加入AgNO₃溶液，加入交联剂、催化剂和脱水剂，选用还原性溶剂，利用溶胶凝胶法制备PI/Ag湿凝胶；S2.将步骤S1制备得到的湿凝胶在乙醇中老化后，利用乙醇超临界技术进行干燥即得。本发明制备方法简单，制备得到的气凝胶材料质轻且柔韧，因此有望制成应用于光催化方面的器件，具有良好的工业化应用前景。

技术领域

本发明属于有机无机复合材料制备领域，具体涉及一种PI/Ag气凝胶复合光催化材料及其制备方法和应用。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

太阳光驱动水分解的“人工光合作用”是实现太阳能转化、生产清洁可再生能源的理想方法，同时也是解决未来能源与环境危机的理想途径之一。然而，目前大多数光催化剂在不使用牺牲剂的条件下很难实现太阳光驱动的水分解，其效率也远远达不到实际应用的需求。光解水的过程包含复杂的多电子、多步骤反应，对催化剂材料的要求也非常严格，不仅需要合适的能级结构来吸收足够的可见光，更为关键的是要有效地分离和传输光生电子和空穴，同时还需具备高效稳定的析氢和析氧活性位点。因此，设计新型、高效、稳定和廉价的光催化剂仍旧面临着极大的挑战(Applied Catalysis B:Environmental,2019,241:246；Nature Communications,2013,4:2390)。

近几年聚酰亚胺(PI)由于独特的结构特点，能吸收可见光，热稳定性和化学稳定性良好，并且无毒、制备成型工艺也简单等引起了人们的广泛关注(CN105709831A，Journalof Materials Science,2017,52(9):5404-5416；Journal of Alloys and Compounds,2017,729:19)。但目前报道的光催化材料多是PI粉末材料，此类材料在实际应用过程中，易于团聚，不易回收，严重限制了其工业化进程。且粉末材料比表面积较小，相对来说活性位点较少，不利于光催化效率的提高。目前气凝胶催化剂的研究越来越多，气凝胶催化剂很多独特的特点，比如性质稳定，易于回收，比表面积大等都利于光催化效率的提高。更重要的是，气凝胶的多孔结构可降低光在催化剂表面的反射，延长光在催化剂内部的传播时间，增加催化剂的光子利用率，从而提高可见光的吸收效率(Nano Letter,2007,7:69；AdvancedFunctional Materials,2015,25:3074)。PI气凝胶孔径的尺度严重影响着水解效率，若孔径太大，则比表面积相对较小，暴露的活性位点少；若孔径太小，则产生的气体分子与孔壁结合力太强，难以及时脱附，从而影响活性位点数量，降低后续反应活性。所以要得到适宜水分解的气凝胶催化剂仍需调节原料配比，酰亚胺化的催化剂用量、溶剂种类以及干燥工艺，有效调节孔径尺寸以及孔径分布，实现对PI气凝胶复合材料不同孔结构的可控制备。特别是有关水解产生的氢气和氧气与PI气凝胶复合材料之间的吸附作用机理，以及与不同孔结构的复合材料之间的定量关系尚待深入研究。

单纯的PI气凝胶结构在光解水过程中载流子复合速率快，致使光解水效率并不高。通过与贵金属复合是解决问题的常用手段。但是如何构建复合结构才能从根本上降低PI结构载流子复合速率和增强光谱利用率是关键。然而已有研究证实，仅仅通过在PI表面沉积贵金属或者简单的氧化还原反应并不能显著改善PI的结构，因此对光解水效率的影响并不大。

综上，现在的PI光催化材料依然远远达不到工业化要求，仍然存在很多问题，因此亟需寻找更为高效稳定的光解水催化剂。

发明内容