[发明专利]一种直接型Z-Scheme异质结催化剂及其制备方法与应用

说明书

一种直接型Z‑Scheme异质结催化剂，按如下方法制备得到：以能够形成异质结的催化剂为起始物质，将其放入压力容器，加入水后密封，水相和催化剂不直接接触，然后将太阳光聚集射入压力容器内，进行光水热处理，制得所述直接型Z‑Scheme异质结催化剂；所得催化剂组成分布更为均匀，相态接触更为良好，性能大幅提高，可用于光催化还原CO₂反应；该法实现了从催化剂制备到催化剂应用都以太阳能驱动的目的，整个过程达到了绿色化，具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种直接型Z-Scheme异质结催化剂及其制备方法与应用。

背景技术

太阳能是一种大型可再生能源，每小时到达地球的能量足以满足人类一年的能源消耗。由于21世纪以来面临的能源危机和环境污染问题，人类社会需要发展环境友好，可再生的技术，导致近年来使用太阳能作为驱动力的光催化技术成为了热门研究领域。光解水制氢，光催化还原CO₂，光固氮等反应过程近年来都是光催化领域的热点课题。另一方面，光催化也可以用来降解有机污染物，达到净化环境的目的。然而时至今日，光催化剂体系仍然面临低的太阳能利用率，高的光生载流子的复合率问题，限制了光催化技术的应用。高效的光催化剂是光催化技术研究的核心内容之一。

光生电子和空穴分别积累在弱的还原能力的导带和弱的氧化能力的价带上是光生载流子复合的原因之一。为了解决这一问题，人们从自然界绿色植物的光合作用中得到启发，开发出了一种基于Z-Scheme机制的新型异质结催化剂，不仅可使电子空穴达到有效分离，而且增强了氧化还原能力。这类异质结催化剂是由两种不同能带结构的半导体和合适的导体媒介组成。利用导体媒介的良好的电子迁移能力，在光照射下，半导体Ⅰ导带的电子经由导体媒介传递至半导体Ⅱ的价带，与半导体Ⅱ价带上的空穴发生复合。在半导体Ⅰ价带上积累了氧化能力强的空穴参与氧化反应，半导体Ⅱ的导带上则积累还原性高的电子参与还原反应。

两种半导体间也可不经中间媒介直接结合形成直接Z-Scheme异质结(direct Z-Scheme)。此时两种半导体之间接触的紧密程度会直接影响Z-scheme异质结界面的电子传递。良好的直接Z-Scheme异质结催化剂性能需要开发合适的制备方法。

专利CN201810417799.2公开了一种Z型催化剂的应用，但是对于催化剂的制备方法与本发明没有类似之处。专利CN201911036296.1具体公开了一种光热协同增强全光谱响应异质结构光催化剂及其制备，但其制备方法与本法同样不存在类似之处。

发明内容

针对两种半导体之间接触的紧密程度不合适会直接影响Z-scheme异质结界面的电子传递的问题，本发明提供了一种光-水-热后处理制备Z-scheme异质结催化剂的方法，从而实现特定Z-scheme异质结催化剂的制备，其在CO₂光催化还原过程中表现出了优异性能。

本发明的技术方案如下：

一种直接型Z-Scheme异质结催化剂，按如下方法制备得到：

以能够形成异质结的催化剂为起始物质，将其放入压力容器，加入水后密封，水相和催化剂不直接接触，然后将太阳光聚集射入压力容器内，进行光水热处理1-3h，制得所述直接型Z-Scheme异质结催化剂；

所述能够形成异质结的催化剂包括但不限于：钨酸铋、氧化铁等；

所述光水热处理的条件范围为：太阳光光强50-70mW.cm^-2，400到1000聚光比，温度300-700℃，水蒸气压力0.4-2.4MPa；

高光强、高温、高水蒸气压力的条件是通过将聚集的太阳光射入压力容器内形成；水的用量为能够在300-700℃温度范围让容器内压力达到0.4-2.4MPa所需的水量。