[发明专利]一种双极膜表面粉末态光催化剂在水分解中的应用

说明书

一种双极膜表面粉末态光催化剂在水分解中的应用，所述应用是以表面负载P型半导体光催化剂粉末的阳离子交换膜与表面负载N型半导体光催化剂粉末的阴离子交换膜为双极膜，并构成阴极室和阳极室隔膜，将P型半导体光催化剂粉末材料作为阴极，将N型半导体光催化剂粉末材料作为阳极，后分别配制0.5~1.0 M的阴极电解液和阳极电解液，采用氙灯作为光源，外加电压为0.5~2.0 V作用下，连续进行光电催化水分解制氢。本发明将粉末态的催化剂附着于双极膜两侧面，用于光电催化水分解制氢，产氢效率高达90~99.8%，氢气纯度高达90%~99.99%，连续运行10~48小时，槽电压、产氢效率基本保持不变，实现了半导体粉末态光催化剂分解水制氢的高效、连续化操作。

技术领域

本发明涉及一种粉末态催化剂在水分解中的应用，具体地说，是一种负载粉末态催化剂的双极膜在水分解制氢中应用的技术方案。

背景技术

半导体光电催化技术是一种将太阳能转化为化学能的有效技术手段，对解决能源紧缺、减小环境污染压力具有重大意义。经过各国科学家多年的探索和积累，该领域的研究取得了较大进展，但总体来说，利用太阳能光电催化效率仍然比较低。其中一个主要原因是由于光生电子-空穴未能有效分离，重新复合，导致光电催化活性下降。国内外学者们采用各种方法分离光生电子-空穴，如： Fan等将TiO₂与BiOCl催化剂进行复合，使BiOCl导带的电子转移至TiO₂导带上，TiO₂价带的空穴转移至BiOCl价带上，从而有效地将电子-空穴分离(CrystEngComm, 2014, 16: 820-825)；Zhang等制备了BiOCl核-壳结构光催化剂，此结构能有效分离光生电子-空穴，从而提高了光催化活性（CrystEngComm, 2012, 14: 700-707）。可见，提高光生电子-空穴分离效率仍然是光电催化过程中迫切需要解决的关键问题。

在光电催化实际应用过程中，半导体粉末态催化剂存在易团聚和反应后难回收的问题。因此，光催化剂的固定化对光催化技术的实用化非常重要。例如，Noorjahan等利用喷溅技术制得了TiO₂-HZSM-5复合薄膜，这种薄膜对废水中有毒酚类和有机酸的降解有很高的活性（Appl. Catal., B: Environmental, 2004, 47: 209-213）；García等以玻璃微球为载体，采用浸渍提拉法制备了负载型TiO₂光催化剂用于降解模拟污染物和城市污水处理厂的污水(Appl. Catal., B: Environmental, 2011, 103: 294-301)，取得了良好效果。可见，为了能够真正实现光催化技术的实用化，光催化剂的固定化显得极为重要，有待于进一步研究。

传统的光电催化水分解制氢的方法是将N型半导体光阳极与P型半导体光阴极串联，中间采用透光的气体分离膜将阴、阳极室进行分割。但随着反应的持续进行，阳极室由于析氧反应会逐渐变酸，阴极室由于析氢反应会逐渐变碱，而大部分阳极材料更喜欢中性或者偏碱性环境，大部分阴极材料更喜欢偏酸性环境，因此大大限制了水分解反应的连续进行。

本发明提出将P型半导体光催化剂粉末和N型半导体光催化剂粉末分别固定于双极膜两侧的表面，并将其作为阴、阳极室的隔膜，进行光电催化水分解制氢，是基于以下考虑：①在光电作用下，双极膜中间界面层发生水解离生成H⁺ 和OH^-离子，H⁺离子透过阳离子交换膜进入阴极室，并在阴极处发生析氢反应被消耗，OH^-离子透过阴离子交换膜进入阳极室，并在阳极处发生析氧反应被消耗。因此，理论上能够保持阴极室和阳极室pH的稳定，这有利于半导体光催化剂粉末的稳定工作，使反应能够持续进行。②利用表面固定有半导体光催化剂粉末的双极膜作为阴、阳极室的隔膜，可以将阳极析氧反应与阴极析氢反应有效地分割于两个极室，避免已生成的氢、氧交叉，再次结合生成水分子，不但提高了水分解效率，而且制得纯度较高的氢气。③从热力学角度考虑，双极膜水解离生成的H⁺比水分子更容易发生还原，而OH^-比水分子更容易发生氧化反应，进一步提高了水分解效率。