[发明专利]一种石墨烯钙钛矿复合型光催化制氢催化剂及其制备方法

说明书

本发明公开了一种石墨烯钙钛矿复合型光催化制氢催化剂的制备方法，包括：称取硝酸盐、钛酸四丁酯和络合剂溶解在乙醇溶液中，加入石墨烯悬浮液，配制出混合溶液；将所述混合溶液搅拌至变为干凝胶；将所述干凝胶焙烧除去有机物后进行真空煅烧，得到所述催化剂。本发明还公开了一种石墨烯钙钛矿复合型光催化制氢催化剂。

技术领域

本发明涉及复合材料制备与应用领域，具体涉及一种石墨烯钙钛矿复合型光催化制氢催化剂及其制备方法。

背景技术

现今随着社会的发展，对于能源的需求日益增长，而煤、石油、天然气等这些传统能源的不可再生，因此持续对其进行开采必将引起能源危机进而引发一系列连锁问题。另外，传统能源燃烧会产生大量的有害气体如一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫等。在我们周围的活环境中，如今最引起我们注意的问题之一就是关于雾霾的问题。如何解决雾霾，换来蓝天，这需要从根本上治理。工业污染、散煤燃烧、汽车尾气是形成大气中颗粒物的重要人为原因。这些能源问题环境污染问题更使我们迫切的寻找新能源。新能源相比于传统能源，展现出了极大的环境亲和性和可持续发展性。其中，氢能在自然界的含量非常高。氢气是取之于水又还原于水的，理论上是取之不尽用之不竭的能源。另外，氢气的燃烧热值高，每千克氢燃烧后的热量，约为汽油的3倍，是世界上最干净的能源之一。

半导体具有特殊的能带结构，顶部为导带(CB)，底部为价带(VB)，夹在两者之间的为禁带，禁带宽度用Eg表示，Eg称为材料的能隙，单位为eV。当半导体吸收一定能量，且吸收的能量大于等于半导体能隙时，半导体的价带电子才能被激发，跨越禁带跃迁至导带上。传统的半导体催化剂，例如TiO₂可以光催化分解水制氢。但是，TiO₂只在特定紫外光(300nm＜λ＜390nm)照射下才表现出很高的催化活性，而且紫外光谱有较高的操作成本。因此寻找在可见光下可以响应的新型光催化剂已成为现在研究的热点。钙钛矿型复合材料由于在可见光下可响应，且可选种类多，结构稳定等特点成为研究热点。

催化分解水制氢主要分为三个过程：第一，半导体吸收光能量，位于价带的电子受到激发跃迁至导带，在半导体内部产生相同数量的空穴与电子；第二，位于半导体导带、价带的光生电子、空穴移至半导体表面；第三，位于半导体表面的电子、空穴到达反应活化位置，分别与OH^-、H⁺离子发生氧化还原反应。影响光催化剂的活性的因素十分复杂，多个因素复合影响着催化活性。影响因素可分为环境因素和性质因素。环境因素包括光强度、光照时间、pH值、催化剂量等等。常见的性质因素有：(1)组织结构的影响(2)晶粒尺寸的影响(3)比表面积的影响。为了增加光催化剂的催化效率，研究人员往往会通过改性的方法来实现，常见的改性手段有：半导体复合，金属离子掺杂，非金属离子掺杂，染料敏化等。

石墨烯具有许多优异的性质，例如：石墨烯是目前世界上最薄的材料，最坚固的材料，理论比表面积高达(2630m²·g^-1)，具有良好的导电性，以及室温下高速的电子迁移率(200000cm²·V^-1·s^-1)等特殊的性质，引起了科学界巨大兴趣，掀起了一股石墨烯研究的热潮。此外，石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列以适应外力也能保持结构稳定，具有优异的力学、光学性能。由于以上独特的纳米结构和优异的性能，石墨烯可应用于许多的先进材料与器件中，如薄膜材料、液晶材料、储氢材料、纳米电子器件和和复合材料等。

有很多合成的钙钛矿在可见光下并不响应。想要提高钙钛矿材料的可见光响应能力和光催化活性，可以通过改善工艺条件，如染料敏化、添加助催化剂等方法来减少光生空穴与电子的复合。但是现在改善的工艺条件大多较复杂，成本高，不适于大规模生产。

发明内容

本发明设计开发了一种石墨烯钙钛矿复合型光催化制氢催化剂，本发明的发明目的是提供一种催化剂，其无需材料敏化就能够在可见光下进行光催化制氢并且产氢量得到提升。