[发明专利]一种光催化分解水制氢中有机牺牲剂高效利用的方法

说明书

本发明公开了一种光催化分解水制氢中有机牺牲剂高效利用的方法。其步骤如下：光催化分解水制氢过程中，当在其中加入含羧基的有机牺牲剂，使用TiO₂或Bi_xY_3‑xClO₄催化剂，催化剂表面负载析氢助催化剂，在无氧光照条件下，可将有机牺牲剂裂解为甲烷和氢气；当加入不含羧基的有机牺牲剂，必须先在有氧环境下光照一段时间，然后在无氧光照条件下，可将有机牺牲剂裂解为甲烷和氢气，此过程可交替进行保持甲烷和氢气产量稳定。与现有的光催化分解水制氢技术相比，本发明进一步利用了反应中的有机牺牲剂，并将其变废为宝，转变为有经济价值的工业产品，提高了有机牺牲剂利用率和制氢的产率。

技术领域

本发明涉及一种光催化分解水制氢中有机牺牲剂高效利用的方法，涉及能源技术领域。

背景技术

光催化分解水制氢是一种利用催化剂吸收光能(特别是太阳光能)将水分解为氢气的技术。光催化分解水制氢主要有两种方式：光催化分解水制氢半反应 (H₂O+Sacrificial＝H₂+CO₂)和光催化完全分解水制氢(H₂O＝H₂+1/2O₂)。目前，光催化完全分解水制氢实现难度高且效率极低，不具有应用价值。因此，光催化分解水制氢技术主要涉及光催化分解水制氢半反应，一般是在水中添加空穴捕获剂(一般为有机牺牲剂)来消耗光生空穴，从而促进氢气产生的效率达到 5％以上。但从应用角度讲，实现该反应的牺牲剂的必须满足经济性和高效性两个特征。牺牲剂必须来源广泛、成本低廉、效果显著、环境友好；或者通过光催化反应后牺牲剂可以转化为有价值的工业产品，并且其价值超过牺牲剂本身。因此，针对现有的光催化分解水制氢技术中存在有机牺牲剂未得到充分利用的问题，开发新的技术方法将其转变为有经济价值的工业产品具有重大意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种光催化分解水制氢中有机牺牲剂高效利用的方法。本发明通过在光催化分解水制氢过程中，在其中加入特定有机牺牲剂，在特定催化剂和光照条件下，将有机牺牲剂裂解为甲烷和氢气，显著提高了光催化分解水制氢效率。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：

一种光催化分解水制氢中有机牺牲剂高效利用的方法，以TiO₂或 Bi_xY_3-xClO₄为催化剂，催化剂表面负载析氢助催化剂，在光催化分解水制氢过程中，以含羧基的有机化合物作为有机牺牲剂时，在常温无氧光照条件下，将有机牺牲剂裂解为甲烷和氢气，将水分解制氢；以不含羧基的有机化合物作为有机牺牲剂时，先在有氧环境下常温光照一段时间，然后再在常温无氧光照条件下，将有机牺牲剂裂解为甲烷和氢气，将水分解制氢，有氧光照和无氧光照过程可交替进行保持甲烷和氢气产量稳定。

本发明中，含羧基的有机化合物包括乳酸、乙酸等；不含羧基的有机化合物包括乙醛、葡萄糖、甲醇等。其中，乙酸和非羧基类的乙醇转换效率最佳，且浓度越高转换率越高。

本发明中，有机牺牲剂在反应溶液(水和有机牺牲剂的混合溶液)中的浓度不小于5vol％。

本发明中，催化剂选用TiO₂或Bi_xY_3-xClO₄等吸光半导体，且满足导带底位置需高于标准氢电极电势H⁺/H₂，催化剂在反应溶液(水和有机牺牲剂的混合溶液)中的浓度为0.005～0.02mol/L。其中，紫外光照射下催化剂优选TiO₂，浓度优选0.01mol/L，可见光照射下催化剂优选Bi_xY_3-xClO₄，浓度优选0.02 mol/L，转换效率最高。