[发明专利]一种单原子光产氢催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明提供一种新型单原子光产氢催化剂，所述光产氢催化剂具有超薄多孔片状结构，通过碳点(CDs)表面丰富的基团原位还原出Pt单原子，得到的催化剂表达式为CdS@CDs/Pt‑SAs。该光产氢催化剂首先通过碳量子点(CDs)辅助溶剂热生长的方法使乙酸镉(Cd(CH₃COO)₂·2H₂O)、正丁胺(C₄H₁₁N)在乙二醇反应体系中反应合成了超薄Cd(OH)₂@CDs纳米片，并将其转化为多孔CdS@CDs纳米片。然后，利用CDs原位还原出Pt单原子(Pt‑SAs)，实现了Pt‑SAs在CdS@CDs纳米片上的锚定。Pt单原子具有很强的捕获光生电子的能力，导致光催化H₂的演化活性显著，其速率达到45.5mmol h^‑1g^‑1，是CdS@CDs的133倍。本发明开辟了一条制备金属单原子用于催化各种有用反应的途径。

技术领域

本发明属于光催化材料技术领域，具体地说涉及一种应用于光催化分解水制氢的助催化剂Pt单原子与主催化剂CdS@CDs纳米片形成的新型单原子光产氢催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

光催化太阳能转化为可以被人类利用的燃料具有重要意义。氢气作为一种应用广泛的能源载体，在合成氨和二氧化碳转化为甲醇以及碳氢化合物方面发挥极大作用。利用太阳能光解水制备氢燃料是缓解现代社会日益增长的能源需求的有效策略。因此利用半导体光催化剂太阳能分解水制氢引起了国内外的广泛关注。

提高制氢效率的关键是得到一种高效的光催化剂，通常首选半导体，它具有生成电子-空穴(e-h)对的能力，从而引发相关的氧化还原反应。然而，电子-空穴对的高复合速率仍然是阻碍它们向表面活性位点迁移的主要障碍，即使在反应体系中引入牺牲种，也会导致活性较低。因此，将先进的助催化剂或促进剂集成到适当的半导体光催化剂表面往往是必要的。在各种助催化剂中，Pt是最好的一种。然而，稀缺性和高成本限制了其进一步的实际应用。因此，在不影响催化效率的前提下，使用最少量是一项紧迫的任务。

发明内容

本发明提供一种新型光产氢催化剂及其制备方法和应用，该光产氢催化剂通过CDs修饰二维片状CdS主催化剂并原位还原出Pt单原子，形成纳米片状CdS@CDs/Pt-SAs光催化剂。本发明所述方法具有工艺简单，成本低廉，重复性好的特点，能够制备出组成可控、性能高效的太阳光制氢催化剂，可大幅提高利用太阳光的制氢效率，对新能源的开发和利用具有重要意义。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种新型单原子光产氢催化剂，所述光产氢催化剂具有超薄多孔片状结构，通过碳点(CDs)表面丰富的基团原位还原出Pt单原子，得到的催化剂表达式为CdS@CDs/Pt-SAs，可大幅度提高光催化产氢性能。

一种新型光产氢催化剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)前驱体Cd(OH)₂@CDs的制备：将乙酸镉Cd(CH₃COO)₂·2H₂O 和正丁胺溶于适量乙二醇和碳点混合液中，然后在磁力搅拌半小时后放入100mL反应釜中120-150℃反应5-10h，即得到CdS前驱体 Cd(OH)2@CDs纳米片，将产物洗涤并真空干燥；

(2)CdS@CDs纳米片的制备：在60-80mL去离子水中加入 0.01-0.02g Cd(OH)₂@CDs,在磁力搅拌下向其中加入150-200mL冰冻 1-1.5h后的Na₂S(3-6mmoL/L)溶液，将其在常温下反应10-30min后再次加入等量的Na₂S溶液，得到多孔CdS@CDs纳米片，将产物洗涤并真空干燥；