[发明专利]一种太阳能光解水制氢用氧化钛催化剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及光催化材料技术领域，尤其涉及一种太阳能光解水制氢用氧化钛催化剂及其制备方法。

背景技术

二氧化钛(TiO₂)作为重要的新能源和环境保护材料，可应用于光催化、太阳能发电、太阳能集热等领域。然而，TiO₂在太阳能利用方面面临巨大的挑战，主要原因在于其光吸收范围窄(～5％的紫外光)、电子-空穴对的分离效率低等。为提高对可见光的利用率，研制新型高效可见光响应的光解水制氢用TiO₂催化剂材料具有重要意义。

目前，现有技术采用了多种方法发展TiO₂光解水制氢技术，如半导体复合、有机染料敏化和离子掺杂等。尽管前两种方法均可提高TiO₂可见光响应范围及其光解水制氢活性，但是其采用的窄带隙半导体和有机染料等存在着易氧化、使用寿命短、不稳定等缺陷。通过离子掺杂在TiO₂禁带中产生杂质能级，使得宽禁带TiO₂半导体具有可见光活性，但是过渡金属离子或非金属离子单掺杂，分别在TiO₂导带下方或价带上方形成不连续的杂质能级，由于较高的电子空穴复合率，其光化学活性依然很低。为此，寻找高效稳定、环境友好的可见光响应的光解水制氢TiO₂催化剂已成为当前研究的重要前沿方向。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高效稳定的太阳能光解水制氢用氧化钛催化剂，以有效提高并保证光解水制氢活性和制氢效率，从而促进光解水制氢技术的发展。本发明的另一目的在于提供上述氧化钛催化剂的制备方法。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现：

本发明提供的一种太阳能光解水制氢用氧化钛催化剂，所述氧化钛催化剂粉体材料的组成为：二氧化钛98.00～99.88wt％、三氧化钨0.1～1wt％、碳0.01～1wt％、氮0.01～1wt％。本发明为W-N-C三元共掺杂TiO₂光催化剂粉体材料，具有可见光响应、高效稳定的优异性能。

上述方案中，本发明所述掺杂的三氧化钨、碳、氮均位于氧化钛粉体颗粒表面；所述碳、氮均以间隙形式掺入氧化钛晶格中，所述三氧化钨以置换形式掺入氧化钛中。本发明所述氧化钛为锐钛矿相，其粉体颗粒呈球形，粒度为10～20nm。

本发明的另一目的通过以下技术方案予以实现：

本发明提供的上述太阳能光解水制氢用氧化钛催化剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)将0.05mol钛源加入10ml冰水溶液中，搅拌下加入12～15ml浓氨水溶液，形成沉淀，真空过滤、洗涤后，得到富含氨的钛酸Ti(OH)₄；

(2)向所述钛酸Ti(OH)₄中加入三氧化钨掺杂源、碳掺杂源，所述三氧化钨掺杂源、碳掺杂源的用量分别为钛酸Ti(OH)₄的0.1～1wt％、0.01～1wt％，然后加入纯水，经超声分散而形成悬浊液；

(3)将所述悬浊液移入马弗炉内焙烧至400～450℃，保温1～2h，即得到W-N-C共掺氧化钛催化剂粉体材料。

进一步地，本发明制备方法所述钛源为四氯化钛、钛酸丁酯或异丙醇钛。所述三氧化钨掺杂源为钨酸钠、钨酸铵或仲钨酸铵。所述碳掺杂源为二氰二胺或葡萄糖。

本发明具有以下有益效果：

本发明光催化剂为W-N-C三元共掺杂TiO₂光催化剂材料。当N-C二元共掺杂TiO₂时，C掺杂能有效促进N杂质能级与TiO₂价带本征能级的交叠(价带上移)，同时N-C共掺可在TiO₂导带下方形成连续的杂质态，能有效促进电子的迁移；由于WO₃与TiO₂能级结构相似，且钨杂质能级位于TiO₂导带下方，通过W-N-C三元共掺杂，不但可以减小TiO₂禁带宽度(2.4eV)，而且可有效促进光生电子的迁移，提高TiO₂量子效率，具有可见光响应、高效稳定的优异性能，在400mW/cm²可见光照射下其光解水产氢速率达到10～12mmolg^-1h^-1。此外，本发明工艺简单，便于操作，有利于推广和应用。

附图说明

下面将结合实施例和附图对本发明作进一步的详细描述：