[发明专利]一种光生电子与氧化还原电对空间分离的Z-机制光催化全解水系统的构建方法

说明书

本发明涉及光催化分解水制氢领域，具体为一种光生电子与氧化还原电对空间分离的Z‑机制光催化全解水系统的构建方法。以单畴铁电半导体材料为产氢光催化材料，阳离子型氧化还原电对为电荷传输媒介，高活性光催化材料为产氧光催化材料，构成光生电子与氧化还原电对空间选择性分离Z‑机制光催化全解水系统。单畴铁电半导体材料受光激发后产生的光生电子和空穴在内建电场的驱动下分别迁移至材料的正极性面和负极性面，溶液中的阳离子氧化还原电对选择性吸附在铁电材料的负极性面，从而实现光生电子与氧化还原电对的空间选择性分离。本发明将有效抑制因氧化还原电对的还原反应对产氢光催化材料中光生电子的消耗，提高太阳能的转化利用效率。

技术领域

本发明涉及光催化分解水制氢领域，具体为一种光生电子与氧化还原电对空间分离的Z-机制光催化全解水系统的构建方法。

背景技术

光催化分解水能够将太阳能转化为氢能，是解决能源与环境问题的重要途径。通过模拟自然界光合作用中光生电荷的Z型转移机制，利用产氢光催化材料、氧化还原电对、产氧光催化材料构建的Z-机制光催化全解水系统是太阳能高效利用的有效手段。

Z-机制光催化全解水系统的基本原理与光合作用类似。产氢光催化材料受光激发产生光生电子和空穴，光生电子与水反应生成氢气，光生空穴将氧化还原电对的还原态氧化为氧化态；产氧光催化材料受光激发产生的光生空穴与水反应产生氧气，光生电子将氧化还原电对的氧化态还原为还原态；氧化还原电对在反应过程中起到了消耗产氢光催化材料与产氧光催化材料中光生空穴与电子的作用，实现光生电荷类光合作用Z型转移。然而，由于产氢光催化材料中的光生电子在参与水分解制氢反应的同时，同样能够将氧化还原电对还原为还原态，导致部分光生电子不能被有效利用，使得Z-机制光催化全解水系统的太阳能转化效率往往较低。

发明内容

本发明的目的在于提出一种光生电子与氧化还原电对空间分离的Z-机制光催化全解水系统的构建方法，通过空间隔离的方法，减少产氢光催化材料中光生电子的损耗，可实现太阳能利用效率的显著提升。

本发明的技术方案是：

一种光生电子与氧化还原电对空间分离的Z-机制光催化全解水系统的构建方法，以单畴铁电半导体材料为产氢光催化材料，阳离子型氧化还原电对为电荷传输媒介，高活性光催化材料为产氧光催化材料，分散于水溶液中，构成光生电子与氧化还原电对空间选择性分离Z-机制光催化全解水系统。

所述的光生电子与氧化还原电对空间分离的Z-机制光催化全解水系统的构建方法，分散于水溶液中的单畴铁电半导体材料的浓度为10mg/L～20g/L，阳离子型氧化还原电对在水溶液中的摩尔浓度为0.01mM～10M，分散于水溶液中的高活性光催化材料的浓度为10mg/L～20g/L。

所述的光生电子与氧化还原电对空间分离的Z-机制光催化全解水系统的构建方法，单畴铁电半导体材料为各类单畴铁电材料，包括金属氧化物半导体、金属氧氮化合物半导体或以此类半导体材料为基体同其他半导体材料组成的异质结构型复合材料。

所述的光生电子与氧化还原电对空间分离的Z-机制光催化全解水系统的构建方法，金属氧化物半导体为PbTiO₃、BaTiO₃或Bi₃TiNbO₉，金属氧氮化合物半导体为SrTaO₂N。

所述的光生电子与氧化还原电对空间分离的Z-机制光催化全解水系统的构建方法，阳离子型氧化还原电对为各类阳离子型氧化还原电对，包括Fe^3+/2+、[Co(bpy)₃]^3+/2+、[Co(phen)₃]^3+/2+、[Co(terpy)₃]^3+/2+、VO₂⁺/VO²⁺之一或两种以上不同氧化还原电对的混合型电对。