[发明专利]基于量子点/棒和二硫化钼纳米片的光催化剂、制备方法、光催化体系及其重整生物质制氢的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于量子点/棒和二硫化钼纳米片的催化剂、制备方法、含该催化剂的光催化体系及其重整生物质制氢的方法。

背景技术

利用太阳能转换化学能并以氢能的形式储存是解决全球性的能源危机和环境污染的有效途径。太阳能光解水制氢是实现太阳能的捕获、转化和储存的理想反应。自1972年Fujishima和Honda报道了首例光电化学制氢的体系以来，人们已在开发高效、廉价、稳定的光催化剂方面做了大量的研究，尤其是利用半导体-助催化剂体系来实现光解水制氢取得了长足的发展。研究发现，二硫化钼（MoS₂）作为非贵金属催化剂表现出与金属铂相当的催化性能。2008年，李灿院士等将MoS₂负载到硫化镉半导体材料上合成得到复合光催化剂，在可见光照射下MoS₂可以替代贵金属（铂、钯等）高效催化降解乳酸制氢（J.Am.Chem.Soc.,2008,130,7176-7177）。2011年，戴宏杰教授等利用水热法合成得到了负载MoS₂颗粒的部分还原氧化石墨烯复合材料（J.Am.Chem.Soc.2011,133,7296-7299），并利用电化学证明其为高效的产氢催化剂。2012年，Mietek Jaroniec教授等构筑了二氧化钛（TiO₂）和MoS₂负载的石墨烯光催化体系（J.Am.Chem.Soc.2012,134,6575-6578），该体系不含贵金属，在紫外光的照射下表现高效的光催化产氢活性，当MoS₂/石墨烯负载量占总质量的0.5wt%时，光催化产氢速率可达165.3μmol·h^-1，表观量子产率可达9.7%（365nm）。2013年，Chorkendorff教授等通过水热法在具有层状结构的碳化氮（g-CN）表面负载小尺寸MoS₂，实验表明，利用g-CN作为光敏剂，MoS₂作为助催化剂，体系光催化产氢速率为20.6μmol·h^-1（Angew.Chem.Int.Ed.2013,52,3621-3625）。作者认为具有层状结构的MoS₂和g-CN的有效表面接触促进了光生电荷与空穴的分离，从而提高了光催化效率。同年，张华教授等合成了TiO₂纳米带，并用水热法负载MoS₂得到具有三维结构的TiO₂/MoS₂杂化材料（Small,2013,9,140-147）。在紫外光的照射下，MoS₂质量百分数为50%的杂化材料表现最高产氢速率达1.6mmol·h^-1·g^-1。北京大学的李美仙教授等利用自组装的方法将直径约为1.47nm的MoS₂纳米颗粒修饰到金电极表面，并研究了其电催化产氢活性（Energy Environ.Sci.2013,6,625-633）。最新发表在J.Am.Chem.Soc.2013,doi.org/10.1021/ja404851s的一篇文章中，作者将直径约为5—20纳米的p型MoS₂纳米片负载到部分还原的n型氧化石墨烯片上，在纳米尺度上形成大量的p—n结，在紫外到近红外波长范围内的光催化产氢性能显著提高，催化活性的提高主要原因是显著提高了光生载流子的分离并抑制了其复合。当用乙醇做电子牺牲体时，最优产氢速率为24.8μmol·g^-1·h^-1。

显然，实现太阳能到氢能的高效转换不仅需要寻找新颖稳定的光敏剂和高效廉价的催化剂，而且需要在空间构型上合理排布光敏剂和催化剂，使二者界形成有效的界面结合，从而有利于二者协同实现光捕获、光生载流子分离和表面催化反应。

发明内容