【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于光催化，具体涉及一种纳米介孔ir/tio2晶体、制备方法及其应用。
技术介绍
1、绿氢因其高热值和无污染的特点，是代替化石燃料的高效清洁能量载体，可有效减少碳排放，实现碳中和的目标。光催化海水制氢被认为是一种可再生的生产绿氢的技术。光催化海水制氢的能源来源为广泛的太阳能，而原料是地球上丰富的海水资源，故该技术是一种低成本、无污染和操作简便的制氢技术。然而，海水中的高盐环境通常会腐蚀催化剂和发生不必要的副反应，导致催化剂失活，降低其光催化活性，严重抑制了其大规模的商业化发展。因此，开发一种抗腐蚀的高性能光催化剂尤为重要。
2、一般来说，影响光催化海水制氢性能的主要因素有：1）催化剂的光子利用率和载流子复合率；2）高盐环境下催化剂的稳定性和抗腐蚀能力；3）催化剂的比表面积和活性位点，大的比表面积有利于吸附反应物，丰富的反应活性位点，更利于光催化反应的进行；4）cl-和oh-的竞争吸附反应，会产生不必要的副产物cl2和clo-，给环境带来污染。
3、二氧化钛（tio2）作为一种常用的光催化剂，具有价格低廉，热化学性质稳定，强氧化还原能力和环境友好等特点，广泛地应用于光催化各个领域，如光催化海水制氢、光催化降解污染物和重金属还原等。但其带隙较宽（3.2 ev），仅能吸收紫外光，而对可见光的响应较低，加之高的光生载流子复合率，制约了其在光催化领域中的广泛应用。
4、为解决tio2对可见光响应低和载流子复合较快的问题，在现有技术基础上，通过离子掺杂、贵金属负载、光敏化和半导体复合等方法来改性
5、其中贵金属负载是提高光催化性能的常用手段，贵金属负载到tio2上，其一方面可作为助催化剂降低反应的活化能，另一方面可促进光生载流子的分离。此外，贵金属和tio2的界面还会产生局部等离子体共振效应（lspr），增强了对光的吸收效率，近场增强促进了光生载流子的分离；另外，光热效应还会使tio2表面局域温度升高，加快载流子的传输和氧化还原能力，从而提高tio2基光催化剂的光催化性能。
6、近年来，研究人员采用了较多二氧化钛基材料体系用于光催化海水制氢，如p/ni@tio2、cu2o/tio2、b-tio2、vti-tio2和co@ruox/tio2等，虽然以上材料都有效提高了光子利用率、减少了载流子的复合率，但仍面临光催化效率低和催化剂易腐蚀的难题，导致其在海水中的光催化性能低于纯水。目前，光催化海水制氢所用的助催化剂大多数为贵金属pt，其具有较低的析氢过电位和活化能，但价格昂贵和抗腐蚀能力仍有待解决。
技术实现思路
1、为解决以上问题，一方面，本专利技术提供了一种纳米介孔ir/tio2晶体，该晶体由纳米尺度的ir金属颗粒均匀负载在tio2表面组成，其中ir金属颗粒尺寸为1-3nm，晶体表面具有介孔结构，暴露晶面为(101)晶面。
2、更进一步地，该晶体比表面积大于90m2/g。
3、本专利技术的晶体表面暴露的(101)高活性晶面能有效促进光生电子和空穴的分离，同时在表面形成的负电荷层可阻止海水中cl⁻离子的吸附，减少副反应的发生；其次，ir纳米颗粒的均匀分布和1-3 nm的尺寸提供了丰富的活性位点，同时通过局域等离子体共振效应扩展了光催化剂的光吸收范围至近红外区域，大幅提高了对太阳光的利用效率；此外，介孔结构还提供了较大的比表面积和良好的反应物扩散通道，有助于提升催化效率；最后，氧空位缺陷的引入不仅增加了催化剂的光吸收能力，还降低了光生载流子的复合几率，从而进一步提高了光催化性能。综合上述因素，本专利技术的晶体展现出优异的抗腐蚀性能和高效的光催化海水制氢能力，在模拟海水环境中的表现优于传统催化剂。
4、另一方面，本专利技术提供了一种制备纳米介孔ir/tio2晶体的方法，包括以下步骤：
5、步骤1、将ti(c4h9o)4和ircl4·xh2o溶解于乙二醇，加入koh溶液，搅拌均匀后转移至不锈钢反应釜，恒温反应后，将产物冷冻离心，并反复清洗，在真空干燥箱中干燥后，得到前驱体ir/k2ti8o17；
6、步骤2、将前驱体ir/k2ti8o17和hcooh混合，刻蚀反应后，取悬浊液，冷冻离心得到沉淀，反复清洗，将产物置于真空干燥箱干燥，得到纳米介孔ir/tio2晶体。
7、本专利技术制备纳米介孔ir/tio2晶体的方法，主要原理是利用前驱体ir/k2ti8o17中ti-o和k-o键不同的性质，其中ti-o键为共价键较为稳定，而k-o为离子键较为活泼，k+易被h+离子刻蚀析出。通过甲酸刻蚀，将前驱体ir/k2ti8o17通道内的k+去除，同时部分共边八面体向共角八面体的转变，[tio6]八面体扩展，形成单分散的ir/tio2纳米颗粒，在强烈的水热条件下，这些单分散的ir/tio2通过定向附着机制高度聚集形成晶体取向一致的纳米介孔ir/tio2晶体。
8、更进一步地，在步骤1中，反应釜中温度控制为200℃，时间为20小时。
9、更进一步地，在步骤2中，刻蚀反应在密闭的不锈钢反应釜中进行。
10、更进一步地，在步骤2中，刻蚀反应时间为2小时。
11、更进一步地，在步骤2中，离心操作在4℃的冷冻条件下进行，转速为8000转/分钟。
12、更进一步地，在步骤2中，真空干燥箱的温度为70℃。
13、再一方面，本专利技术提供了一种纳米介孔ir/tio2晶体在光催化海水制氢中的应用，该晶体为催化剂。
14、更进一步地，该晶体在含盐量为3.5%的模拟海水环境中，光催化性能优于纯水环境。
15、本专利技术的有益效果：
16、（1）本专利技术应用两步刻蚀法制备的纳米介孔ir/tio2晶体具有较多的孔道，较大的比表面积和良好的结晶性，有利于反应物的扩散，提供更多的反应活性位点以及减少作为复合中心的晶界；晶体的暴露晶面为（101）晶面，该晶面具有较高的光化学反应活性，且光生电子会优先迁移到（101）晶面加速催化反应，另外在（101）晶面积累的光生电子会在ir/tio2表面形成一个负电荷层，阻挡海水中的cl-吸附到催化剂表面，发生竞争反应，可有效避免cl-腐蚀催化剂，并提高光催化海水制氢的效率；ir金属以纳米晶形成存在，尺寸分布均匀，为1-3nm，几何形貌规整，纳米尺寸具有量子尺寸效应，有效提升了催化剂的氧化还原能力；另外，ir纳米晶的分散性良好，无明显团聚，有效增加了对贵金属ir利用率，进而提高了催化剂的光催化性能。
17、（2）本专利技术采用两步刻蚀法制备的纳米介孔ir/tio2晶体富含氧空位缺陷，可在催化剂导带下方引入缺陷能级，拓宽催化剂的光吸收范围，此外，较多的氧空位缺陷有利于催化剂吸附反应物，可有效提高催化剂的光催化性能；晶体具有明显的局域等离子体共振效应，将纳米介孔ir/tio2晶体的光吸收范围扩展到近红外区域，且光热效应产生的热量加速了氧化反应的进行，有效提高了催化剂的光催化性能；另外，晶体具有良好的抗腐蚀性，且在模拟海水本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种纳米介孔Ir/TiO2晶体，其特征在于，所述晶体由纳米尺度的Ir金属颗粒均匀负载在TiO2表面组成，其中Ir金属颗粒尺寸为1-3nm，晶体表面具有介孔结构，暴露晶面为(101)晶面。
2.如权利要求1所述的纳米介孔Ir/TiO2晶体，其特征在于，所述晶体比表面积大于90m2/g。
3.一种制备纳米介孔Ir/TiO2晶体的方法，其特征在于，包括以下步骤：
4.如权利要求3所述的制备纳米介孔Ir/TiO2晶体的方法，其特征在于，在步骤1中，反应釜中温度控制为200℃，时间为20小时。
5.如权利要求4所述的制备纳米介孔Ir/TiO2晶体的方法，其特征在于，在步骤2中，刻蚀反应在密闭的不锈钢反应釜中进行。
6.如权利要求5所述的制备纳米介孔Ir/TiO2晶体的方法，其特征在于，在步骤2中，刻蚀反应时间为2小时。
7.如权利要求6所述的制备纳米介孔Ir/TiO2晶体的方法，其特征在于，在步骤2中，离心操作在4℃的冷冻条件下进行，转速为8000转/分钟。
8.如权利要求7所述的制备纳米介孔Ir/Ti
9.一种纳米介孔Ir/TiO2晶体在光催化海水制氢中的应用，其特征在于，所述晶体为催化剂。
10.如权利要求9所述的纳米介孔Ir/TiO2晶体在光催化海水制氢中的应用，其特征在于：所述晶体在含盐量为3.5%的模拟海水环境中，光催化性能优于纯水环境。
...【技术特征摘要】
1.一种纳米介孔ir/tio2晶体，其特征在于，所述晶体由纳米尺度的ir金属颗粒均匀负载在tio2表面组成，其中ir金属颗粒尺寸为1-3nm，晶体表面具有介孔结构，暴露晶面为(101)晶面。
2.如权利要求1所述的纳米介孔ir/tio2晶体，其特征在于，所述晶体比表面积大于90m2/g。
3.一种制备纳米介孔ir/tio2晶体的方法，其特征在于，包括以下步骤：
4.如权利要求3所述的制备纳米介孔ir/tio2晶体的方法，其特征在于，在步骤1中，反应釜中温度控制为200℃，时间为20小时。
5.如权利要求4所述的制备纳米介孔ir/tio2晶体的方法，其特征在于，在步骤2中，刻蚀反应在密闭的不锈钢反应釜中进行。
【专利技术属性】
技术研发人员：杨培志，蒋胤，杨雯，秦鹏，王琴，张云博，
申请(专利权)人：云南师范大学，
类型：发明
国别省市：
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