[发明专利]一种光解水产氢Ru单原子负载催化剂的制备方法

说明书

本发明设计了一种二维单层二氧化钛纳米薄片（TiNS），将其作为载体，利用温和的光沉积方法将Ru金属以单分散形式负载在纳米片上，制备单原子催化剂（RuO_x/TiNS），实现了高效的光解水产氢。相比于TiNS载体，负载的Ru单原子拓展了TiNS的吸光范围，从360nm到800nm以上；存在的氧空位促进了光生电子空穴的分离，进而促进了反应的进行。一种光解水产氢Ru单原子负载催化剂的制备方法，包括如下步骤：（1）利用软化学剥离方法制备二维单层二氧化钛纳米片；（2）采用光沉积方法合成单原子Ru负载催化剂RuO_x/TiNS。相比于没有修饰的TiNS，RuO_x/TiNS表现出了高效的可见光产氢性能，使可见光可见效率达到1.6mmol h^‑1 g^‑1。

技术领域：本发明涉及一种催化剂的制备方法。

背景技术：自1972年，Fujishima和Honda首次报道了二氧化钛作为水分解光催化剂后，TiO₂被大量应用于高效光催化产氢的反应中。但是，纯二氧化钛具有较大的带隙（锐钛矿型，3.2 eV；金红石型，3.0 eV），只能在紫外线范围内产生光生电子空穴。因此要实现其在可见光范围内的反应，需要对TiO₂基底改性。具有100％原子利用率的单原子催化剂（SAC）在许多领域都显示出优异的性能。单原子催化剂有可能是高效可见光产氢催化剂的有效可能路线。通过光沉积方法将钌原子以单分散形式沉积在单层二氧化钛纳米片表面，表现出了优异的mmol h^-1 g^-1量级的产氢效率。

发明内容：

本发明的目的是为了解决光催化剂中TiO₂无法对可见光产生响应导致光解水产氢反应中的催化效率低的问题。提供了一种使用光沉积方法制备Ru单原子负载TiO₂二维纳米片的方法，用于高效光解水产氢。

本发明提供Ru单原子负载TiO₂纳米片催化剂的制备方法按照以下步骤进行：

(1)利用软化学插层法制备TiO₂纳米片悬浊液，将TiO₂、K₂CO₃和Li₂CO₃在干燥室温下按照13：3：1的比例通过研钵进行均匀混合，再将研磨得到的混合物高温煅烧除碳，冷却到室温后再研磨，再进行煅烧，降至室温后生成K_0.8Ti_1.73Li_0.27O₄；

(2) 将得到的K_0.8Ti_1.73Li_0.27O₄固体进行研磨，并通过置于足量的HCl溶液进行质子化过程，替换样品中的K与Li离子。经过大量清水洗涤，在过夜真空干燥得到H_1.07Ti_1.73O₄粉末。

(3)将得到的粉末置于(C₄H₉)₄NOH溶液中，在室温下充分搅拌9天，最后反应得到TiNS纳米片胶体悬浮液。

(4) 通过滴加适量的稀盐酸溶液将TiNS与溶液进行有效分离，通过大量水溶液进行清洗，去除过量的(C₄H₉)₄NOH，最后通过冻干得到白色粉末样品TiNS。

(5) 采用了成熟的光沉积方法:将TiNS粉末分散在水溶液中，充分搅拌，加入空穴牺牲剂充分混合，再加入RuCl₃并通入保护气；使用氙灯直接照射溶液，使Ru元素负载再TiNS表面上，得到RuO_x/TiNS溶液。

(6) 使用大量水将所得样品洗涤，去除没有负载的RuCl₃，最后冻干得到RuO_x/TiNS粉末。