[发明专利]一种有机-无机杂化光催化析氢材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种有机‑无机杂化光催化析氢材料及其制备方法和应用，所述制备方法包括以下步骤：(1)将原料对甲苯磺酸PTSA、对苯二胺Pa‑1和1,3,5‑三甲基间苯三酚Tp一起研磨，滴加去离子水，然后加热，冷却，洗涤，干燥，研磨得TpPa‑1‑COF；(2)将上述TpPa‑1‑COF与六水合硝酸锌Zn(NO₃)₂·6H₂O、硝酸铟In(NO₃)₃和L‑半胱氨酸混合，加入去离子水制得悬浮液，然后加热，冷却后洗涤，干燥，即得所述有机‑无机杂化光催化析氢材料TpPa‑1‑COF/ZnIn₂S₄。本发明利用2D‑2D异质结结构有效加速光生电子和空穴的快速分离，并利用异质结结构中的有机组分与牺牲试剂有机分子之间的有效接触，使得异质结无机复合材料的光生空穴被有机分子的牺牲试剂大量消耗，从而达到提升光催化制氢效率的目的。

技术领域

本发明属于析氢光催化剂技术领域，具体涉及一种有机-无机杂化光催化析氢材料及其制备方法和应用。

背景技术

氢能作为一种清洁高效无污染的绿色能源，在解决因过度使用化石燃料而引起的能源短缺和由此带来的严重环境污染问题方面正受到越来越多的关注。太阳光驱动光催化分解水生产清洁氢(H₂)被认为是一种可持续及环境友好的制氢方法，在新能源利用和环保两大领域有着至关重要的分量。

迄今为止，人们开发了许多无机半导体材料用于光催化分解水制氢。其中，金属硫化物因其独特的电子和光学特性吸引了一些学者的注意并被开发出来用于光催化制氢领域的研究。层状结构的ZnIn₂S₄(ZIS)作为一种金属硫化物无机半导体材料，由于其可见光响应、高活性，而作为一种析氢光催化剂。然而，ZIS作为一种无机半导体材料，光催化制氢性能仍然达不到实际应用水平。一般认为光催化剂内部相对低效的光致电子和空穴的分离和转移被认为是不可避免的失活过程，这极大地阻碍了无机半导体的催化活性(AdvancedMaterials,2018,30(25):1800128)。因此，为了最大限度地提高光催化体系的制氢效率，在光催化过程中应注意尽量避免光生载流子的复合。

近年来，人们常常通过两种无机半导体材料构建异质结复合材料，利用异质界面之间的电势梯度，可以有效地加速光激发电荷的分离和转移。比如，授权号为CN111266101A的中国发明专利，公开了一种紫外光辐照制备BiVO₄/Bi₂O₃光催化剂的方法，通过调控两种材料比例而制备的光催化异质结，形成的异质结界面面积明显增加，接触更为紧密，使得光生电荷分离和传输效率得到极大地提升。申请号为CN202110471177.X的中国发明专利，公开了一种Y掺杂海胆状纳米TiO₂/SrTiO₃异质结光催化制氢材料，由于TiO₂与SrTiO₃的能带结构差异，形成异质结构，又由于SrTiO₃的导带比TiO₂更负，使激发的光生电子从SrTiO₃的导带快速转移至TiO₂上，使光生载流子有效的分离，并在异质界面建立内建电场，进一步促进了光生载流子的分离。申请号为CN202010124047.4的中国发明专利公开了一种Z型MoS₂/CaTiO₃异质结及制备方法及其应用，发现Z型电子传输机制的MoS₂/CaTiO₃异质结在光催化制氢方面具有高效的活性。申请号为CN201810845633.0的中国授权发明专利，公开了一种CdS/TiO₂纳米异质结光催化材料及其制备方法和应用，发现所述材料以CdS纳米线为主体，与外表TiO₂纳米颗粒形成异质结，可改善CdS光腐蚀的缺陷且能够利用异质结的作用，提高电子空穴的分离效果，从而促使光催化制氢的性能得到提升。