[发明专利]基于光催化分解水制备氢气的水滑石光催化剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于太阳能分解水制氢光催化剂的制备技术领域，特别涉及一种层状光催化分解水制备氢气的水滑石光催化剂及其制备方法。

背景技术

由于能源危机日益严重，用可再生能源来制造清洁能源——氢能，成为各国研究的热点。将半导体作为光催化剂利用太阳光分解水制备氢气，是材料科学领域的重要任务，得到了人们的广泛关注。自从第一次报道关于TiO₂半导体催化剂以来，很多无机材料被陆续发现用于光分解水反应。其中，含有Ti Nb Ta等元素的层状材料因为其氧化、还原位分离，进而较其他半导体材料具有高的催化活性。然而该体系仍然因为电子空穴分离效率不高，导致催化效率低下，影响其进一步应用。

为了能有效提高光催化效率，需要开发出新型的具有高催化活性的光催化剂，是解决当前光催化技术中难题的关键。

目前开发的光催化剂主要集中于TiO₂，K₂Ti₄O₉，CdS，CdSe，WO₃，Fe₂O₃等半导体化合物，但由于其活性低以及抗光腐蚀性差等问题，极大的限制了催化材料的应用和发展。

水滑石(Hydrotalcite)，其主体一般由两种金属的氢氧化物构成，因此又称为层状双羟基复合金属氧化物(Layered Double Hydroxides，简写为LDHs)。LDHs是一类重要的阴离子型层状粘土材料，层板的二价和三价金属阳离子在层板高度分散，并与羟基以共价键形成有序的主体结构。研究人员通过合理的设计将不同种类的金属离子进行调控，合成的水滑石赋予了该类材料多功能特性。将水滑石应用于光催化分解水领域必会促进光催化材料的应用和发展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于光分解水制备氢气的水滑石光催化剂及其制备方法。

本发明的技术方案：基于水滑石层板的可调控性以及易于制备的优势，通过调控层板的元素组成、合成光催化分解水制备氢气，且催化性能优异的水滑石光催化剂材料。该催化剂充分利用了水滑石层板金属元素高度分散等特点，实现了基于光催化分解水制备氢气。

本发明制备的水滑石光催化剂，其化学式为：[M²⁺_1-x-yM⁴⁺_xM³⁺_y(OH)₂]^(2x+y)+·(A^n-)_(2x+y)/n·mH₂O，其中M²⁺是Ni²⁺、Zn²⁺、Mg²⁺中的一种或几种，M³⁺是Al³⁺，M⁴⁺是Ti⁴⁺；0.14≤x≤0.33，y＝0或0.14≤y≤0.33；A^n-是CO₃^2-、CNO^-中的一种或两种，n为阴离子的化合价数，n为2或1；m为结晶水数量，取值范围为0.5-9。

本发明的具体制备步骤如下：

1)配置浓度为0.01-1.00mol/L的金属盐溶液50-150ml，然后加入0.13-0.37ml的TiCl₄溶液和0.13-0.37ml质量浓度为20-38％的HCl溶液，再加入摩尔数为金属盐2-5倍的尿素，80-100℃加热搅拌回流反应48-96h；加入的0.13-0.37ml TiCl₄溶液中含TiCl₄ 0.001-0.003mol；

2)反应完成后，产物抽滤，用去离子水离心洗涤2-6次，再用无水乙醇洗涤1-3次，滤饼于60-90℃烘箱干燥4-16h，即得水滑石光催化剂。

步骤1)所述的金属盐为硝酸镍、硝酸锌、硝酸镁、硝酸铝中的一种或几种。

使用上述的水滑石光催化剂基于光分解水制备氢气，反应条件为：使用上述的水滑石光催化剂0.05-0.2g加入到150ml水中，加入质量浓度为0.5-2％的H₂PtCl₆溶液5-50μl为助催化剂以及100-500μl质量浓度为85.5-90％的乳酸为牺牲剂，全光谱照射。