[发明专利]一种复合光催化材料及其制备方法

说明书

本发公开了一种复合光催化材料及其制备方法，通过制备高比表面g‑C₃N₄片层材料，复合具有LSPR效应的AuNi纳米合金颗粒作为可见光吸收增强中心及产氢活性中心，利用AuNi合金化降低贵金属Au的用量及调控其LSPR吸收波长和热电子转移效率，并利用组分协同效应提高金属Ni纳米颗粒分散度和析氢活性，从而实现AuNi/g‑C₃N₄复合光催化材料电子空穴高效分离和可见光催化高效产氢，这样，既有效降低了贵金属Au的用量，同时提高了Au纳米颗粒LSPR效应的利用效率和金属Ni的析氢活性。

技术领域

本发明属于复合光催化材料制备技术领域，具体涉及一种复合光催化材料及其制备方法。

背景技术

H₂具有燃烧热值高和清洁无污染等优点，被认为是21世纪最具前景的二次替代能源。高效利用H₂作为家庭燃料和车辆动力源，可以大幅降低CO₂和NO_x的排放，实现大气环境质量的改善和经济发展的低碳化。然而，目前H₂的来源大都依赖于化石燃料重整制氢或化石燃料-电能-氢过程，源头上依然未能解决环境污染和能源危机问题。因此，可以利用太阳能和水资源，通过光催化制氢过程将太阳能转化为氢能是构建清洁可持续能源体系，从根源上解决能源危机和环境污染的理想途径。

光催化制氢主要是以半导体材料作为催化剂，利用光照条件下半导体中价带电子受激向导带跃迁产生的光生电子还原H⁺结合生成H₂，利用光生空穴氧化水生成O₂。自20世纪70年代日本科学家Fujishima和Honda发现TiO₂光电极上的光解水产氢现象后，光解水制氢便引发了世界各国科学家的广泛关注和研究。虽然TiO₂具有成本较低、无毒及化学稳定性好等优点，但是TiO₂能带较宽，需要紫外光激发，能量利用率较低。

目前，研究较多的可见光响应催化剂有Cu₂O、BiVO₄、CdS、Fe₂O₃和g-C₃N₄等，其中石墨化g-C₃N₄片层材料具有制备过程简单﹑成本较低﹑稳定性好﹑能带结构匹配等优点，是较为理想的可见光催化材料。2009年，Wang等首次报道了利用氰胺热聚合制备的g-C₃N₄作为光解水的可见光催化剂，在可见光照下，H₂产生速率为106μmol g^-1h^-1。虽然当时报道的量子产率较低，但是g-C₃N₄无毒，制备方法简单，稳定性好展现了其作为光催化材料的优良特性，一经报道便引起了光催化领域的极大关注。然而g-C₃N₄带隙约为2.7eV，其可见光响应范围在460nm以下，制约其可见光吸收和光催化产氢性能。

提高g-C₃N₄片层材料可见光吸收性能的主要途径有杂原子掺杂，缺陷引入和表面等离子体敏化。近年来，基于表面等离子体共振效应(LSPR)复合光催化材料的设计与制备，光催化性能及LSPR作用机制的研究已然成为目前催化研究中的热点。Au等金属纳米颗粒LSPR激发会产生如下效应：1)可见及近红外光的捕获及聚集；2)电子空穴分离效应；3)局域电磁场增强效应。利用Au的LSPR效应不仅可以提高g-C₃N₄光催化材料的可见-近红外光吸收性能，而且可以显著提高光生电子空穴分离效率和光催化产氢活性。但是，在推进Au/g-C₃N₄复合光催化材料规模化应用过程中，贵金属Au的用量大，成本太高。