[发明专利]一种基于钙钛矿二氧化钛异质结构高效制氢制氧的方法

说明书

本发明提供了一种基于钙钛矿二氧化钛异质结构高效制氢制氧的方法。本发明提供的一种高效制氢制氧方法，是通过将钙钛矿二氧化钛耦合形成的异质结构光催化剂沉积于纺织网上实现的。钙钛矿材料具有带隙窄、载流子扩散距离长等优点，利用二氧化钛和钙钛矿材料的协同效果，既能解决半导体材料TiO₂光催化剂带隙大，仅对紫外光响应的问题，又能抑制光生载流子复合，提升载流子传输性能，使得制氢制氧效率显著提升。本发明提供的一种基于钙钛矿二氧化钛异质结构高效制氢制氧的方法，是通过制备具有制氢制氧功能的光催化纺织网实现的，所述光催化纺织网具备可见光响应性能，极大提高可见光的吸收和利用，且可回收重复使用，为社会带来经济效益。

技术领域

本发明属于光催化制氢制氧应用领域，具体涉及一种基于钙钛矿二氧化钛异质结构高效制氢制氧的方法。

背景技术

近年来能源消耗与环境恶化成为人类面临的重大挑战，通过清洁的可再生能源代替不可再生的化石能源是解决环境压力的有效途径。氢能作为一种清洁、可再生、发热值高的燃料，极有希望在未来取代煤、石油等化石能源，占据能源格局的主导地位。半导体光催化法可利用自然界中取之不尽的太阳能作为半导体的激发光源，实现分解水制氢制氧，具有简单便捷、经济高效等优势，受到了广泛关注。其中，光催化剂是光催化分解水反应的核心，通常为可将光能最终转化为化学能的半导体材料。当半导体材料光催化剂吸收能量大于其自身带隙的光子后，产生的光生电子会跃迁至导带，同时在价带产生一个光生空穴。产生的光生电子和空穴会扩散至半导体表面，分别与半导体表面水分子发生还原反应、氧化反应，生成氢气和氧气。二氧化钛材料具有无毒、杀菌除臭、稳定性好、氧化还原能力强等优势，在光解水制氢制氧领域有巨大潜力和良好前景。

然而，用二氧化钛光催化材料光解水制氢制氧面临以下问题：①TiO₂是一种宽带隙半导体材料，仅对太阳光中约6％的紫外光响应，使得太阳光的吸收利用率较低；②TiO₂受光照激发产生的光生电子和空穴还存在易于复合的问题，使得光量子效率较低；③同时，传统光催化剂为粉末状，常通过抛洒等方式在污水处理中应用，存在回收困难，难以重复使用的问题。

针对上述问题，本发明提出了一种基于钙钛矿二氧化钛异质结构高效制氢制氧的方法。钙钛矿是一种结构为ABX₃型的半导体材料，具有制备简单、带隙可调、可大面积附着于柔性衬底等优势，由于其优异的光电性能常被应用于太阳能电池、LED和光电探测器等光电器件中。本发明通过材料复合的方法对传统TiO₂光催化剂进行改性，将TiO₂与钙钛矿耦合形成异质结。一方面，钙钛矿半导体材料具有禁带宽度窄、能吸收能量较低的入射光，具有可见光响应特性。除了本身可作为光催化剂分解水制氢制氧之外，还可以与TiO₂材料复合为异质结，解决TiO₂光催化剂因带隙大仅对紫外光响应的问题。进一步地，钙钛矿半导体材料产生的光生电子可通过异质结传输至TiO₂导带，光生空穴留在钙钛矿价带，使得钙钛矿二氧化钛异质结构光催化剂的光谱响应范围扩宽，极大程度提升光催化剂对太阳光的利用率。另一方面，由于钙钛矿-二氧化钛界面处存在异质结，结两侧的载流子浓度差会形成内建电场，促进光生载流子传输，减少了电子-空穴对复合，通过钙钛矿二氧化钛协调效果进一步提升了异质结光催化剂的催化活性。最后，将钙钛矿二氧化钛异质结构光催化剂负载于纺织品上，解决了粉末状光催化剂难回收和重复利用的难题。本发明提出的基于钙钛矿二氧化钛异质结构的高效制氢制氧的方法范围广泛，包括但不限于太阳能光解水制氢制氧等领域。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于钙钛矿二氧化钛异质结构高效制氢制氧的方法。本发明通过材料复合的方法，构建钙钛矿二氧化钛异质结，不仅将钙钛矿二氧化钛异质结构光催化剂的响应波长范围扩展至可见光波段，改善TiO₂光催化剂仅在紫外光波段响应的不足；同时利用钙钛矿二氧化钛异质结处的内建电场促进了光生载流子的分离和传输，有效抑制了光生电子-空穴的复合。采用纺织品作光催化剂作为载体解决了以往粉末状光催化剂难以回收的问题，提升光催化剂的重复利用率。