[发明专利]光催化剂及其制备方法、光解水制氢的方法

说明书

本发明属于光解水制氢技术领域，尤其涉及一种光催化剂及其制备方法、光解水制氢的方法。本发明提供的光催化剂包括：第一半导体纳米片，负载在第一半导体纳米片上的二维碳纳米材料，以及负载在二维碳纳米材料上的第二半导体纳米片。在所提供的光催化剂中，第一半导体纳米片作为主催化剂，第二半导体纳米片可作为助催化剂，二维碳纳米材料为具有片状结构的导电材料，可作为连接和导通主催化剂和助催化剂的桥梁，提高了光生电子‑空穴对的迁移与分离效率，以及减弱了光生电子‑空穴对的内部复合，大大提高了光生电子的利用率，使得光催化剂具有高光催化产氢活性和良好的稳定性。

技术领域

本发明属于光解水制氢技术领域，尤其涉及一种光催化剂及其制备方法、光解水制氢的方法。

背景技术

氢能作为最受瞩目的清洁和无碳能源，是化石燃料理想的替代品，但是现有的工业技术不适于生产燃料用途的氢气。利用光催化技术将太阳能转化为氢气被认为是最具前景的制氢途径之一，有望从根本上解决能源短缺及环境污染问题。

光催化反应就是利用半导体的结构特性将太阳能转换成高能量密度的化学能并且储存在化学键里的反应过程。半导体材料具有不连续的能带结构，即包含能量高的空的导带(CB)和能量低的满的价带(VB)。而导带底端和价带顶端的能量带隙被称为禁带，禁带宽度用Eg表示，价带上的电子不稳定，当半导体受到能量大于其禁带宽度的光的照射时，价带电子吸收能量跃迁到导带，在价带上留下光生空穴(h⁺)。导带上的光生电子具有强还原性，可以将H⁺离子还原成H₂，价带上的光生空穴具有强氧化性，可以将水氧化成O₂。

光解水制氢的关键在于选择适宜的光催化剂，然而，早期的光催化剂如TiO₂等大多为紫外光响应的，紫外光占太阳光能量的5％，对太阳光的利用率过低，价带和导带电位无法同时满足催化反应需要，同时，由于半导体光催化剂中存在各种缺陷，使得光生电子和空穴容易在缺陷处复合，导致量子效率降低，成本过高等诸多问题。到目前为止，没有一种便宜且可商业化的材料满足高的可见光量子效率、稳定性、安全性和便宜性等所有的条件。因此，为了克服这种挑战，开发高效稳定的可见光响应光催化剂就成为亟待解决的关键问题，也是实现工业化应用的关键。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种光催化剂，以应用于光解水制氢，具有高产氢活性和良好的稳定性。

本发明的另一目的在于提供一种光催化剂的制备方法，又一目的在于提供一种光解水制氢的方法。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种光催化剂，包括：第一半导体纳米片，负载在所述第一半导体纳米片上的二维碳纳米材料，以及负载在所述二维碳纳米材料上的第二半导体纳米片。

本发明提供的光催化剂，包括依次设置的第一半导体纳米片、二维碳纳米材料和第二半导体纳米片，第一半导体纳米片为主催化剂，第二半导体纳米片为助催化剂，二维碳纳米材料为具有良好导电性能的层状二维材料，可作为连接和导通主催化剂和助催化剂的桥梁，以提高光生电子-空穴对的迁移与分离效率；同时，第一半导体纳米片、二维碳纳米材料和第二半导体纳米片均为片状结构，片状结构增加了主催化剂和二维碳纳米材料的界面接触面积以及缩短了载流子从主催化剂到助催化剂的迁移路径，从而减弱了光生电子-空穴对的内部复合，提高了光生电子的利用率，进而赋予了光催化剂高光催化产氢活性和良好的稳定性。

相应的，一种光催化剂的制备方法，包括以下步骤：

将第一半导体纳米片和二维碳纳米材料分散在第一溶剂中，进行第一复合处理，获得分散有第一复合材料的第一溶液；

将第二半导体纳米片和所述第一溶液进行第二复合处理，获得所述光催化剂。