[发明专利]一种纳米限域光催化水凝胶的制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种纳米限域光催化水凝胶的制备方法及其应用，是以有机化合物修饰助催化剂纳米颗粒作为交联剂，在引发剂、可聚合单体、催化剂的存在下，通过自由基聚合反应形成网络结构均匀的纳米复合水凝胶。在水凝胶聚合过程中加入氧化石墨烯减少光生电子‑空穴的复合，引入刚性骨架控制水凝胶在催化过程中的溶胀。将该水凝胶置于光敏剂和牺牲剂水溶液中，在可见光的照射下可高效产生氢气。

技术领域

本发明涉及一种纳米限域光催化水凝胶的制备方法及其应用，属于纳米材料技术领域。

背景技术

随着化石能源的不断使用，我们逐渐面临能源枯竭和环境污染两大问题。由于太阳能取之不尽用之不竭，而且洁净无污染，所以是响应可持续发展战略的首选能源。氢能具有高的燃烧值且燃烧产物是无污染的水，太阳能光解水制氢是储存太阳能的最佳途径之一。在过去的几十年中,人们在研究光解水制氢体系时主要从半导体材料、助催化剂、电子-空穴复合等方面考虑，很少从反应空间对催化性能的影响方面来考虑。根据以往的报道，我们知道当水被限制在纳米空间中时它的本质发生了极大的改变。当水被限制在狭小的空间中时，水分子的运动受到束缚，水分子的蒸发焓减小，水质子的迁移速度提高，水的粘度增加，这些结果都有利于光解水制氢的发生。

软材料在可见光下产生可存储的燃料，是一个尚未开发的化学领域，对可再生能源具有潜在的影响。这种系统具有优于使用大量液体，有毒无机颗粒的分散体或复杂装置的优点。设计这种具有综合功能和高含水量的软材料的概念灵感来源于植物叶绿体内光合细胞器的内部结构。对于传统的水凝胶，由于其无规聚合导致的结构不均匀，不利于选用为限域催化的载体。纳米复合水凝胶的概念在2002年被日本科学家T.Takehisa首次提出，在水凝胶合成过程中，使用纳米材料粘土片作为交联剂形成水凝胶，这种纳米材料的引入使得新型水凝胶发生均匀聚合，形成的纳米复合水凝胶具有均匀的网络结构，这种均匀的网络结构可以作为光催化反应的容器。

发明内容

本发明旨在提供一种纳米限域光催化水凝胶的制备方法及其应用，以纳米颗粒作为交联剂，制备出具有均匀纳米孔结构的水凝胶，在可见光下可高效产生氢气。

本发明纳米限域光催化水凝胶的制备方法，是以改性的催化纳米颗粒作为交联剂，通过自由基聚合反应产生结构均匀且被限制溶胀的水凝胶。与传统的光催化反应不同的是，本发明的光催化反应发生在水凝胶的纳米孔内，纳米孔所引起的物质性质的改变对此反应来讲是有利的。

本发明纳米限域光催化水凝胶的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：催化纳米材料的制备

将表面活性剂加入到贵金属盐溶液中，室温下搅拌至充分溶解，得到均匀吸附表面活性剂的贵金属盐溶液，然后在搅拌下缓慢滴加强还原剂，室温下充分搅拌数小时，得到贵金属纳米材料分散液；

所述贵金属盐溶液为包括铂、钯、钌等具有催化性质的贵金属盐溶液，优选为铂的贵金属盐溶液，如六氯铂酸；所述贵金属盐溶液的质量浓度为0.76mg/mL-2.27mg/mL。

所述表面活性剂为聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，添加质量为贵金属盐溶液质量的1％；

所述强还原剂为硼氢化钠或者氢化铝锂，优选为硼氢化钠；强还原剂的添加质量为贵金属盐溶液质量的0.4％。

本步骤获得的贵金属纳米材料为零维纳米颗粒结构。

进一步地，以铂为例，步骤1中贵金属纳米材料分散液的制备过程如下：

在250mL圆底烧瓶中加入2.48mL浓度为0.25mol/L的六氯铂酸溶液和1.028g的聚乙烯吡咯烷酮，再用去离子水定容至50mL，搅拌混合均匀；再准确称取352mg的硼氢化钠，溶解在30mL的水中，在匀速均匀搅拌的情况下缓慢滴加到圆底烧瓶中，滴加完毕后再继续匀速搅拌1h，即得到零维纳米颗粒形貌的贵金属纳米材料分散液。

步骤2：金属纳米材料的表面修饰