[发明专利]一种同相结光催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明属于光催化技术领域，具体涉及一种同相结光催化剂及其制备方法和应用。本发明提供的同相结光催化剂，包括不同粒径的同晶相半导体材料，其中小粒径半导体材料负载在所述大粒径半导体材料的表面；所述大粒径半导体材料与小粒径半导体材料的粒径比为(40～100)：1。本发明利用不同粒径的同晶相半导体材料形成结，可以有效促进光生电子和空穴分离的效率，从而显著提高材料的光催化性能。实施例结果表明，本发明提供的同相结光催化剂用于光催化分解水时，氢气生成量能达到150μmol/h/g。

技术领域

本发明属于光催化技术领域，具体涉及一种同相结光催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

随着全球能源危机和环境污染问题的日益严重，开发利用清洁的可再生能源势在必行。太阳能取之不尽，用之不竭，是当前世界上最清洁、可大规模开发利用的可再生能源之一。太阳能的利用方式有多种，将太阳能转化为化学能，例如开发氢气、甲烷、甲醇等“太阳能燃料”就是其中一种，而这离不开光催化剂技术的支持。

光催化技术面临的最大挑战是催化剂光生电荷分离效率的提升，这直接决定了太阳能转换系统的效率，因此，备受国内外学者的关注。为提高光催化剂的光生电荷分离效率，研究人员提出了多种方法。其中构建“异质结”和“异相结”是促进光生电子和空穴有效分离的有效方法。“异质结”指的是不同物质之间形成的界面区域，比如ZnO/ZnS、TiO₂/g-C₃N₄等异质结已成功构建；“异相结”指的是同一种物质不同晶相之间形成的界面区域，如锐钛矿/金红石、六方/单斜氧化钨等异相结也已成功构建，且显著提高了催化剂的光催化活性。然而，很多半导体光催化剂并没有两种或两种以上的晶相，无法构建异相结，光催化剂光生电荷分离效率的提升仍面临着困难。

发明内容

本发明的目的在于提供一种同相结光催化剂及其制备方法和应用，本发明提供的同相结光催化剂指相同晶相材料通过不同粒径的半导体材料形成“结”，可用于提升多类半导体材料的光生电子和空穴的分离效率。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明提供了一种同相结光催化剂，包括不同粒径的同晶相半导体材料，其中小粒径半导体材料负载在大粒径半导体材料的表面；所述大粒径半导体材料与小粒径半导体材料的粒径比为(40～100)：1。

优选的，所述小粒径半导体材料的粒径为3～50nm。

优选的，所述小粒径半导体材料的负载量为0.2～20wt％。

优选的，所述半导体材料包括二氧化钛、三氧化二铁、氧化钨、氧化锌、硫化锡、硫化镉或硒化镉。

本发明另提供了上述技术方案所述的优选的同相结光催化剂的制备方法，包括：将小粒径半导体材料负载到大粒径半导体材料的表面，得到同相结光催化剂。

优选的，所述半导体材料为二氧化钛时，制备板钛矿同相结的方法包括如下步骤：

(1)以滴加的方式，将碱溶液和有机钛源混合，水解后得到氢氧化钛溶胶；

(2)将所述步骤(1)得到的氢氧化钛溶胶进行第一水热反应，得到大粒径板钛矿；所述水热反应的温度为150～250℃，时间为12～36h；

(3)将包括所述步骤(2)得到的大粒径板钛矿和氢氧化钛凝胶的混合物进行第二水热反应，得到板钛矿同相结。

优选的，所述半导体材料为二氧化钛时，制备锐钛矿同相结的方法包括如下步骤：

(1)提供包括无水乙醇、乙腈和碱的碱性溶液；提供包括无水乙醇、乙腈和有机钛源的钛源溶液；

(2)采用滴加的方式，将所述步骤(1)中的碱性溶液和钛源溶液进行混合，水解后得到锐钛矿前驱体；