[发明专利]一种分解纯水制氢的催化剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种分解纯水制氢的催化剂及其制备方法。

背景技术

能源是人类生存和发展的重要物质基础，是现代人类从事一切活动的动力之源。目前世界常规能源主要为不可再生的化石如石油、煤、天然气等，能源问题成为当今世界各国发展之路上一大“瓶颈问题”；另外，常规的化石能源使用产生温室气体也造成了巨大的环境问题严重制约了人类的可持续发展。目前世界大多数国家都在开发清洁、可持续的新能源来应对常规能源日益枯竭及环境变化的挑战，其中氢能作为清洁高效的能源备受重视，而且氢可以来自于水(地球上最丰富的资源)也为氢大规模的制备提供了可能。

1972年日本科学家Fujishima和Honda等用TiO₂单晶电极实现了光催化分解水制氢，从而将太阳能直接转化为氢能，实现人工光合作用，为解决全球的能源问题提供了极好的技术途径。近几十年来，围绕如何制备廉价、高活性的光催化材料各国科技工作者做了大量研究，以TiO2，和CdS为代表的大量高活性的光催化剂被报道。经文献检索发现，中国发明专利CN 102249296A，名称为：一种光催化分解水制氢材料及其制备方法，该专利报道了一种利用溶胶-凝胶法制备的钙钛矿氧化物Sr_2/3Zn_1/3TiO₃，该材料具有成本低廉，稳定性好等优点。但由于该材料的导带位置较低还原能力弱，使得反应过程必须加入乙醇作为牺牲试剂，产氢反应才能进行。而使用化工产品作为牺牲试剂势必大大增加产氢成本从而制约其大规模应用。西安交通大学郭烈锦等人申请的专利CN1830553A，名称为：CdS/Ti-MCM-41载铂催化剂及制备方法。该催化剂产氢活性及抗腐蚀能力远强于传统共沉淀制备的硫化镉，在Na₂SO₃作为牺牲试剂的条件下，产氢速率达到890μmol·h^-1·g^-1。然而，同样CdS/Ti-MCM-41光催化剂必须使用Na₂SO₃作为牺牲试剂，反应才能进行，否则催化剂将发生光腐蚀；另外CdS/Ti-MCM-41必须负载贵金属Pt才具有高活性，而Pt金属资源稀缺，价格昂贵，大大增加了催化剂的成本，也使得其大规模应用的前景有限。

发明内容

本发明目的是提供一种无需负载即能分解纯水(无需添加牺牲试剂)制氢的高活性的光催化材料及其制备方法。

本发明所提供的光催化材料为钙钛矿氧化物，其分子式为H_1.9K_0.3La_0.5Bi_0.1Ta₂O₇。

该钙钛矿氧化物是将其前驱体(分子式为K_0.5La_0.5Bi₂Ta₂O₉)进行酸化处理得到的。其中，所述酸化处理中所用的酸具体可为盐酸，所述盐酸的浓度为3～6mol/L；所述酸化处理的时间可为72～120小时。

所述钙钛矿氧化物的前驱体(分子式为K_0.5La_0.5Bi₂Ta₂O₉)也属于本发明的保护范围。

制备该前驱体的方法包括下述步骤：以Ta盐、K盐、La盐和Bi盐为原料，采用柠檬酸络合法制备得到凝胶；将所述凝胶进行焙烧，得到分子式为K_0.5La_0.5Bi₂Ta₂O₉的前驱体。

其中，所述Ta盐、K盐、La盐和Bi盐中Ta、K、La、Bi的摩尔比依次为1∶0.25∶0.25∶1。

本发明中所述Ta盐具体可为五氯化钽。

所述K盐具体可选自下述任意一种：碳酸钾、氯化钾和硝酸钾。

所述La盐具体可为硝酸镧。所述Bi盐具体可选自硝酸铋或氯化铋。

采用柠檬酸络合法制备得到凝胶的具体方法如下：将Ta盐加入到甲醇中，溶解后加入柠檬酸，待柠檬酸溶解后加入K盐、La盐、Bi盐，然后加入乙二醇，将溶液在搅拌下130℃～135℃加热12～24小时得到凝胶。

其中，五氯化钽、柠檬酸、乙二醇的摩尔比依次为1∶60∶300。