[发明专利]一种MOF基衍生复合光催化剂及其制备方法

说明书

本发明属于纳米材料制备技术领域，具体为一种TiO₂/Co₃O₄/Ni纳米复合光催化剂及其制备方法。本方法包括以下步骤：以MIL‑125/ZIF‑67为前驱体，退火后得到TiO₂/Co₃O₄，然后借助光还原法将Ni沉积到TiO₂/Co₃O₄表面得到目标产物，即TiO₂/Co₃O₄/Ni复合光催化剂。本发明的优点在于MOF衍生的TiO₂和Co₃O₄可以显著增大比表面积并提供更多的活性位点，还原助催化剂Co₃O₄和氧化助催化剂Ni的共同负载可有效的提高电子‑空穴对的分离和迁移，从而显著增强光催化剂的光催化分解水产氢活性，为设计和合成高效稳定的三元复合光催化剂提供了新见解。

技术领域

本发明属于纳米材料制备领域，具体为一种TiO₂/Co₃O₄/Ni纳米复合光催化剂及其制备方法。

背景技术

通过光催化整体水分解将太阳能转化为易于储存的化学能被认为是解决环境危机和能源短缺有吸引力的策略。光催化全解水是一种环保生产技术，利用太阳能直接将水分解为氢气（H₂）和氧气（O₂）。截至目前，各种半导体已经被用于光催化研究领域，但TiO₂仍然是最广泛用于在不同电解质（有或没有牺牲剂）中光催化产生H₂和O₂的半导体材料。因为它不仅具有比水分解产生H₂和O₂的导带（CB）和价带（VB）更负或更正的电位，而且具有较好的化学稳定性。然而，先前大多数的研究仅关注H₂的收集，很少关注在全解水过程中产生的氧化产物的收集。过氧化氢（H₂O₂）是氧化产物之一，在常温常压下是液体，一方面，它易于再循环，另一方面，它具有清洁氧化还原剂的功能，例如环境净化、漂白等。从H₂和O₂直接合成H₂O₂降低了爆炸的可能性，同时避免了H₂和O₂的逆反应。因此，开发有效且稳定的光催化剂以实现全解水并且不使用牺牲剂仍然是一个挑战。

近年来，已经发现光催化剂中的氧化和还原助催化剂以及异质结可以通过提供活性位点的同时抑制电荷重组和逆反应来促进光生电子-空穴对的分离。氧化助催化剂主要用于光催化全解水中氧化产物的形成。代表性的氧化助催化剂包括IrO_x，CoO_x和RuO_x。其中，Co₃O₄由于其窄带隙和优异的氧化能力，能够加速水氧化反应形成H₂O₂。目前，最有效的还原助催化剂通常是贵金属，如Pt或Au，贵金属不仅可以作为电子收集器，而且还提供有效的质子还原位点，极大地促进了质子还原反应，然而，它们价格昂贵且稀缺。因此，积极寻求基于非贵金属材料替代贵金属助催化剂显得尤为重要。目前，已经报道了在光催化和电催化过程中许多有希望的非贵金属助催化剂，其中，与贵金属不同的Ni是典型的析氢活性促进剂。通常，金属Ni的负载是通过复杂的化学方法实现的，并且关于Ni助催化剂的光沉积报道仍然很少。

金属有机骨架（MOFs）由于其较高的比表面积、较多的孔径分布以及可调控的形貌已经吸引了越来越多的研究者。作为MOF子类的沸石咪唑酯骨架（ZIFs）和MILs材料，如ZIF-67和MIL-125，具有有序的多孔结构、高比表面积和优异的化学稳定性，可通过热处理将其转化为一系列衍生物。并且MOF衍生的半导体可以完全保留MOFs材料较高的比表面积和丰富的孔隙结构性质，这为光催化反应提供了大量的活性位点，从而促进了水分解过程。

发明内容