[发明专利]一种钴基催化剂及其制备方法和用途

说明书

本发明涉及一种钴基催化剂及其制备方法和用途，所述钴基催化剂为纳米管结构，其中包含Co元素和Ti元素，且二者的摩尔比为1:(0.4‑0.6)，所述钴基催化剂的带隙能量≤1.8eV，其可催化紫外光、可见光或红外光分解水，在250W氙灯辐射下，其分解水产氢气的效率最高可达2375μmol/g/h，且所述钴基催化剂的制备过程简单，可通过对制备过程参数的调节控制制备得到的钴基催化剂的带隙能量，从而实现钴基催化剂带隙能量的可控制备。

技术领域

本发明涉及催化剂领域，尤其涉及一种钴基催化剂及其制备方法和用途。

背景技术

煤炭和石油等化石燃料作为目前主要的能量来源，仍然存在着许多问题。例如，其具有不可再生性，燃烧后的产物会向生态系统排放碳、氮和硫污染物，对环境造成负面影响。有时甚至会引起价格和政治危机。因此，世界正在寻找一种清洁可再生燃料生产方式替代化石燃料。而通过光解水产生氢气是一种极为有效的途径。

光催化工艺是利用合适的光催化作用或光催化材料进行许多化学反应的一种技术。由于光催化过程经济、绿色，对未来经济和下一代人的发展具有重要意义，因此光催化材料在当前的科学和工业应用中备受关注。与其花费大量的精力和成本来处理由于人口增长、能源消耗增加和大规模现代化工业活动增加而导致的对化石燃料依赖的副作用，特别是为了减少或消除碳、氮和硫污染物的排放，不如使用光催化分解水产生氢气作为清洁燃料，从根源上进行解决。

光催化材料是一类半导体，其电子迁移率介于导电金属和非导电(绝缘)材料之间。光催化材料(或半导体)具有中等带隙，通过外部光子激发，电子产生激发跃迁-弛豫，发生表面氧化还原反应，这种特性使得它们在光催化应用中具有良好前景。受激发电子在价带中产生起氧化作用的空穴，而受激电子在导带中起还原作用。光催化剂的一个主要和未来目标是通过分解水产生氢气替代不可再生的化石燃料。由于绿色，廉价的太阳能可以为光催化产氢提供能量，因此利用太阳能光解水产氢是一种极为重要的产氢途径。

二氧化钛(TiO₂)是一种众所周知的光催化材料。由于其自身具有的可用性、稳定性、无毒性和高活性等特点，TiO₂在近几十年来备受关注。虽然二氧化钛具有很多优良特性，但大量研究表明，二氧化钛光触媒存在着一些缺陷，如高禁带宽度值(3.2eV)使其只能在占太阳光总能量5％左右的紫外光区工作。而且二氧化钛会因为激发电子和空穴快速复合而导致快速失活。因此，为了提高其在光化学或电化学下分解水产氢效率，针对TiO₂改性已经进行了大量研究工作。这些改性主要涉及设计新的TiO₂结构，利用杂化或掺杂不同结构的物质调整带隙或利用铂等贵金属进行浸渍。目前的研究工作主要是将TiO₂应用于可见光和红外(IR)光下的光解水产氢。水分解过程是水分子与其各个成分之间的化学解离机制。在能量和能量载体(催化剂)的存在下，氧气和氢气通过转移外部的能量进行水分子还原/氧化反应形成。为了克服TiO₂光催化剂的主要缺点并应用于水分解，前人已经合成了一些先进的结构，如钙钛矿结构，贵金属掺杂的TiO₂和混合金属-TiO₂纳米结构等。