[发明专利]一种太阳能光解水制氢催化剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于一种催化剂及制备方法，具体涉及一种用于太阳能光解水制备氢气的的催化剂及制备方法。

背景技术

能源作为世界经济的命脉和社会发展的动力，受到了各国的高度重视。我国能源需求总量大且增长速度快，目前已成为世界上仅次于美国的第二大能源生产国和消费国。然而，占世界能源供给90％的化石燃料其储量在日益枯竭。并且化石燃料的使用导致了严重的环境污染，化石燃料燃烧释放出的二氧化碳(CO₂)是最重要的温室气体。近100多年中，全球地表平均温度上升了0.3-0.6℃，海平面上升了14-25cm。人们越来越多地将目光转向了清洁、可再生的新能源。氢气作为一种清洁、高效和可再生的新能源已渐为人们所认识，在全球能源系统的持续发展中将起到显著作用，并将对全球生态环境产生巨大的影响。氢本身无毒且可再生，与其他燃料相比氢燃烧时只生成水，不会产生诸如一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、铅化物和粉尘颗粒等对环境有害的污染物质，可以实现真正的零排放。而且燃烧生成的水还可继续制氢，反复循环使用。因此，随着“氢经济”时代的到来，人类社会亟待寻求经济有效的，可以实现工业化生产的制氢技术。

太阳能是地球上能量的来源，既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。地球上海水资源丰富，以海水为原料，利用太阳能进行光解海水制备氢气，即通过太阳能把海水中的氢释放出来，经利用后又生成水，不对环境造成任何影响，不失为一条环保可持续的方法。据推算，如把海水中的氢全部提取出来，它所产生的总热量比地球上所有化石燃料放出的热量还大9000倍。此外，在以海水为原料获得能源的过程中，还可以减缓由于温室效应使地球变暖而造成的海平面上升、陆地面积减少的生存危机。因此，以海水为原料利用太阳能来获得高效、清洁的能源-氢气，对缓解全球的能源危机，改善人类的生存环境，具有十分重大而深远的经济和社会意义。

利用太阳能从海水中制氢的关键是催化剂的开发，能作为光催化剂的材料很多，包括二氧化钛(TiO₂)、氧化锌(ZnO)、氧化锡(SnO₂)、二氧化锆(ZrO₂)、硫化镉(CdS)等多种氧化物硫化物半导体，但这些材料只在紫外光区(波长小于400nm)稳定有效，而紫外光仅占太阳光总能量的4％左右，且紫外光的大量使用会破坏地球的生态环境。能在可见光区有活性的催化剂活性太低，且存在光腐蚀，需要用牺牲剂进行抑制，导致能量转化效率低，不能充分利用太阳能进行催化。因此，寻找高效稳定、环境友好的可见光制氢催化剂成为当前研究的重要前沿方向。

光解水制氢技术在70年代国外开始有研究报道，该技术非常具有开发前景。因此开发高效太阳能光解水/海水制备氢气的催化剂和制氢工艺对于开创国际前沿、提升我国和我省在该领域的科技水平和自主创新能力、缓解能源危机具有重要的科技意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有可见光催化活性的光解水制备氢气的催化剂及制备方法。

本发明的催化剂质量百分比组成为：

二氧化钛75-98％，碳1-20％，氮0-10％。

本发明催化剂的制备方法按下述步骤进行制备：

(1)将介孔碳分子筛与1-10摩尔/升的酸混合0.5-24小时后，向其加入钛源，搅拌状态下反应2-120小时后，真空过滤、洗涤并于60-100℃干燥2-10小时，制备样品；

(2)将干燥后的样品于空气中氧化5-120分钟，转入惰性气体中于400-1000℃焙烧2-10小时，再于空气气氛下450-850℃焙烧3-9小时，即得光催化剂。

如上所述的介孔碳分子筛可以为CMK-1或CMK-3。

如上所述的钛源可以是四异丙醇钛、正丁醇钛、四乙胺基钛、四丙胺基钛或四丁胺基钛。

如上所述的惰性气体可以为氮气、氩气或氦气。

本发明催化剂的应用条件为：按催化剂与水的比例为1克催化剂：200毫升水，将催化剂与水混合搅拌均匀，通氮气10-60分钟后，在搅拌状态下使用400-620nm的光照射(300W氙灯)200毫升反应溶液，光强度为150-XmW/cm²，照射截面积为7cm²。

本发明的主要优点在于：本发明涉及的催化剂可见光活性高，在400-620nm的可见光照射下制氢效率均在100μmolg^-1h^-1以上(照射2小时后取样，以色谱分析并计算产生氢气的效率)。

具体实施方式

实施例1