光催化剂及其制备方法和应用以及制备氢气的方法技术

本发明专利技术涉及光催化分解水制氢材料领域，公开了一种光催化剂及其制备方法和应用以及制备氢气的方法。本发明专利技术提供的光催化剂制备方法简单，原料易得。而且，本发明专利技术提供的光催化剂不需要贵金属助催化剂，能够在不加入牺牲剂的情况下仅以纯水为原料发生光催化分解水制氢反应。应。应。

【技术实现步骤摘要】
光催化剂及其制备方法和应用以及制备氢气的方法


[0001]本专利技术涉及光催化分解水制氢材料领域，具体地，涉及一种光催化剂及其制备方法和应用以及制备氢气的方法。

技术介绍

[0002]氢作为一种能量密度高、储运性良好且绿色环保的能源载体，被认为是今后理想的无污染可再生替代能源。20世纪60年代末，日本学者Fujishima和Honda发现光照n型半导体TiO2电极可使水分解产生氢气，使人们认识到利用半导体光催化反应能够直接将太阳能转化为氢能，用于光分解水产氢用的半导体光催化材料的研究也逐渐热门。
[0003]TiO2基光催化材料是目前研究最多的半导体光催化材料，但是其具有较宽的禁带，因此只能利用小部分可见光和大部分紫外光谱，而太阳光谱能量中紫外光谱所占比例仅有3％，导致TiO2基光催化材料的可见光吸收效率较低。除此之外，TiO2基光催化材料的光生电子空穴也较容易复合，导致反应效率低下，产氢速率不理想，从而阻碍了半导体光催化分解水制氢的应用。随着研究的进展，除Ti之外的很多金属氧化物(例如氧化锌、钴氧化物等)半导体也被发现具有光催化活性，能够用于光催化分解污染物等应用途径，但是，由于带隙宽度和位置的限制以及光生电子和空穴的快速复合等问题，使其并不具有光催化全水解催化性能，或者必须在应用了甲醇、乙醇、乙二胺等牺牲剂或贵金属助催化剂的情况下才能表现出一定的光催化全水解催化性能。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是为了克服现有技术存在的现有半导体光催化材料的可见光利用率低、产氢速率不理想，且并非所有具有光催化活性的半导体材料均能用于光催化全水解反应等问题，提供一种光催化剂及其制备方法和应用以及制备氢气的方法。本专利技术提供的光催化剂通过ZnO和钴氧化物形成紧密结合的异质结，可以加快光生电子和空穴的传输和分离效率，从而在无需额外添加牺牲剂的情况下即具有全水解催化性能。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术一方面提供一种光催化剂，所述催化剂包括基体材料以及依次负载于所述基体材料表面的ZnO薄膜和异质结薄膜，所述异质结薄膜包括ZnO和Co氧化物。
[0006]本专利技术第二方面提供一种制备光催化剂的方法，所述方法包括以下步骤：
[0007](1)将基体材料浸入第一Zn前驱体溶液中，而后取出依次进行干燥和第一焙烧，获得第一焙烧产物；
[0008]将所述第一焙烧产物浸入第二Zn前驱体溶液中，进行第一水热反应，获得表面覆有ZnO薄膜的基体材料；
[0009](2)将所述表面覆有ZnO薄膜的基体材料浸入Co前驱体溶液中，依次进行第二水热反应和第二焙烧，获得所述光催化剂。
[0010]本专利技术第三方面提供根据如上所述的方法制备获得的光催化剂。
[0011]本专利技术第四方面提供如前所述的光催化剂在光催化全水解制氢中的应用。
[0012]本专利技术第五方面提供一种制备氢气的方法，该方法包括将水与如前所述的光催化剂接触，在光催化制氢条件下分解水获得氢气。
[0013]通过上述技术方案，本专利技术能够取得如下有益效果：
[0014](1)本专利技术提供的光催化剂通过将本不具有光催化全水解催化性能的ZnO和钴氧化物相结合，制成具有ZnO
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钴氧化物异质结的半导体光催化材料，使其在不需要加入牺牲剂，也不需要贵金属助催化剂的情况下，仅以纯水为原料即可发生光催化分解水制氢反应；
[0015](2)本专利技术提供的光催化剂制备方法简单，原料易得，适合工业化大规模生产应用。
附图说明
[0016]图1是实施例1获得的光催化剂A1的ZnO
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钴氧化物异质结薄膜侧面扫描电镜图；
[0017]图2是实施例2获得的光催化剂A2的ZnO
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钴氧化物异质结薄膜侧面扫描电镜图；
[0018]图3是实施例1制备的光催化剂A1催化分解水产氢量随时间变化曲线图；
[0019]图4是实施例2制备的光催化剂A2催化分解水产氢量随时间变化曲线图。
[0020]图5是测试例3中，光催化剂A1、A2和A3与钴氧化物及氧化锌的光吸收图谱。
具体实施方式
[0021]在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
[0022]本专利技术的专利技术人在研究的过程中巧妙地发现，通过过程界面紧密结合的ZnO
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Co氧化物异质结，可以使得本不具有光催化全水解性能的ZnO和Co氧化物等半导体材料表现出全水解催化性能。
[0023]本专利技术一方面提供一种光催化剂，所述催化剂包括基体材料以及依次负载于所述基体材料表面的ZnO薄膜和异质结薄膜，所述异质结薄膜包括ZnO和Co氧化物。
[0024]本专利技术提供的光催化剂中，对于所述基体材料没有特别限制，只要是本领域中能够用于光催化剂制备的基体材料即可。根据本专利技术的优选实施方式，其中，所述基体材料选自玻璃、有机聚合物基底和金属材料中的至少一种。
[0025]本专利技术提供的光催化剂中，对于所述异质结薄膜的厚度没有特别限定。根据本专利技术的优选实施方式，其中，所述异质结薄膜的厚度为0.5
‑
5μm。优选为1
‑
3μm。例如可以为1μm、1.2μm、1.4μm、1.6μm、1.8μm、2μm、2.2μm、2.4μm、2.6μm、2.8μm、2μm，或者也可以为上述任意两个数值之间的中间值。
[0026]优选地，所述ZnO薄膜的厚度为0.5
‑
5μm。更优选为1
‑
3μm。例如可以为1μm、1.2μm、1.4μm、1.6μm、1.8μm、2μm、2.2μm、2.4μm、2.6μm、2.8μm、2μm，或者也可以为上述任意两个数值之间的中间值。
[0027]优选地，所述Co氧化物层的厚度为0.1
‑
1μm。更优选为0.5
‑
1μm。
[0028]更优选地，所述ZnO薄膜和Co氧化物层的厚度比为1：0.2
‑
1。
[0029]本专利技术第二方面提供一种制备光催化剂的方法，所述方法包括以下步骤：
[0030](1)将基体材料浸入第一Zn前驱体溶液中，而后取出依次进行干燥和第一焙烧，获得第一焙烧产物；
[0031]将所述第一焙烧产物浸入第二Zn前驱体溶液中，进行第一水热反应，获得表面覆有ZnO薄膜的基体材料；
[0032](2)将所述表面覆有ZnO薄膜的基体材料浸入Co前驱体溶液中，依次进行第二水热反应和第二焙烧，获得所述光催化剂。
[0033]本专利技术提供的方法中，所述第一Zn前驱体溶液用于在基底表面获得均匀的ZnO晶种，任意能够起到上述作用的Zn前驱体溶液均可适用于本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光催化剂，其特征在于，所述催化剂包括基体材料以及依次负载于所述基体材料表面的ZnO薄膜和异质结薄膜，所述异质结薄膜包括ZnO和Co氧化物。2.根据权利要求1所述的光催化剂，其中，所述基体材料选自玻璃、有机聚合物基底和金属材料中的至少一种；和/或，所述异质结薄膜的厚度为0.5
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5μm；优选地，所述ZnO薄膜的厚度为0.5
‑
5μm；优选地，所述Co氧化物层的厚度为0.1
‑
1μm；更优选地，所述ZnO薄膜和Co氧化物层的厚度比为1：0.2
‑
1。3.一种制备光催化剂的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(1)将基体材料浸入第一Zn前驱体溶液中，而后取出依次进行干燥和第一焙烧，获得第一焙烧产物；将所述第一焙烧产物浸入第二Zn前驱体溶液中，进行第一水热反应，获得表面覆有ZnO薄膜的基体材料；(2)将所述表面覆有ZnO薄膜的基体材料浸入Co前驱体溶液中，依次进行第二水热反应和第二焙烧，获得所述光催化剂。4.根据权利要求3所述的方法，其中，步骤(1)中，所述第一Zn前驱体溶液选自醋酸锌的乙醇溶液；优选地，所述第一Zn前驱体溶液的浓度为5
‑
15mM；优选地，所述干燥的条件包括：温度80
‑
150℃，时间0.5
‑
3min；优选地，所述第一焙烧的方式包括：以5
‑
10℃/min的升温速率升至200
‑
300℃，而后在该温度下焙烧1
‑
5h。5.根据权利要求3...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯英杰，刘东兵，邬娇娇，王定博，冯静，
申请(专利权)人：中国石油化工股份有限公司北京化工研究院，
类型：发明
国别省市：