[发明专利]用于水分解光催化剂的半导体颗粒，由半导体颗粒形成的光催化剂，及其合成方法

说明书

本发明涉及用于水分解光催化剂的半导体颗粒，由半导体颗粒形成的光催化剂，及其合成方法。所述半导体颗粒通过添加助催化剂被用作光催化剂，所述光催化剂用于通过光照射诱导水分子被分解为氧分子和氢分子的水分解反应，所述半导体颗粒包含掺杂钪的钛酸锶。一种用于所述光催化剂的半导体颗粒的合成方法，包括以下合成步骤：通过混合氯化锶(SrCl₂)、钛酸锶(SrTiO₃)和氧化钪(Sc₂O₃)获得混合物并烧制所述混合物来合成包含掺杂钪的钛酸锶的所述半导体颗粒。

技术领域

本发明涉及用于诱导水分解为氢和氧的水分解反应的光催化剂的半导体颗粒、使用所述半导体颗粒制备的光催化剂及其合成方法。

背景技术

氢气有望用作即使在燃烧时也不会排放二氧化碳的下一代清洁燃料。利用光催化剂，通过光能诱导的水分解反应可以产生氢气。因此，能够有效诱导光诱导水分解反应的光催化剂的开发已取得了进展。作为高效光催化剂的实例包括，T.Takata等人，《自然》，第581卷，第411-414页(2020)中报告的水分解反应中量子效率几乎是1的光催化剂及其合成方法。简而言之，在T.Takata等人，《自然》，第581卷，第411-414页(2020)中，通过将例如铑(Rh)、铬(Cr)，或钴(Co)的氧化物附着到其中钛酸锶(SrTiO₃)掺杂铝(Al)的半导体(SrTiO₃:Al)颗粒的晶面而形成一种光催化剂，该光催化剂在波长为350nm到360nm的光照射诱导的水分解反应中，表现出96％的(外部)量子效率((外部)量子效率指的是还原的氢原子的数量(＝产生的氢分子数量×2)除以发射光子的数量获得的值；下文中，在本说明书中，“量子效率”是指(外部)量子效率)。获得高量子效率的原因是，在光催化剂的结构中，Rh/Cr₂O₃和CoOOH沉积到SrTiO₃:Al颗粒的不同晶面上，从而实现了光产生的电荷向颗粒表面的转移，而没有反向电荷转移。

发明内容

T.Takata等人，《自然》，第581卷，第411-414页(2020)中报道，达到96％量子效率的半导体颗粒SrTiO₃:Al是通过在玛瑙研钵中粉碎和混合SrTiO₃、Al₂O₃和SrCl₂粉末，并在氧化铝坩埚中在1150℃下以SrCl₂熔化的状态烧制该混合物(原料混合物)持续10小时而制备的。然而，根据本发明人的一项重现性实验，在使用如T.Takata等人，《自然》，第581卷，第411-414页(2020)所述的使用通过在1150℃下烧制原料混合物10小时而获得的颗粒实际制备的光催化剂的水分解反应中，量子效率仅达到8％至28％(在37次试验中，平均值为16％，标准偏差为3.56％)。此外，本发明人研究了当烧制原料混合物以获得SrTiO₃:Al颗粒时，将烧制温度和烧制时间改变为不同值时所获得的光催化剂的(外部)量子效率，并验证了(外部)量子效率的平均值相对于烧制温度和烧制时间的变化较大，如下表1所示，并且实现高效率的包括烧制温度和时间在内的条件范围的幅度较窄。例如，从表1可以验证，当在烧制过程中预设温度仅相差约20℃时，存在由所获得的半导体颗粒形成的光催化剂的量子效率显著改变的情况(当烧制时间为10小时且烧制温度从1150℃变为1175℃时，量子效率相差约30％)。此外，量子效率相对于烧制温度和烧制时间的变化在标准偏差方面为3％至10％。这意味着，当使用T.Takata等人，《自然》，第581卷，第411-414页(2020)中的组分制备半导体颗粒时，是否获得具有高量子效率的光催化剂可能会受到原材料混合物在烧制期间暴露的温度的影响。当实际烧制混合物以获得SrTiO₃:Al颗粒时，使用循环风机循环空气，以使燃烧炉中的温度分布均匀，但坩埚中基本上不会发生对流，因此温度可能不均匀。因此，可以推测光催化剂的量子效率会降低和变化。在任一种情况下，从光催化剂的大规模合成和实际应用的角度来看，在半导体颗粒烧制期间，光催化剂的量子效率相对于烧制温度或烧制时间的降低或波动或变化都不是优选的。