[发明专利]一种稳定的光催化分解水制氢的三元复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种稳定的光催化分解水制氢的三元复合材料的制备方法，以CdS半导体材料在低温水热条件下复合MOF‑808和还原氧化石墨烯而制备。该复合材料能够在光辐射条件下保持稳定，具有优异的耐光腐蚀性能，合成过程中不使用高沸点有机溶剂，不污染环境。该复合材料比纯CdS具有更低的带隙值，能够有效的响应可见光，增强对光的吸收。CdS通过与MOF‑808和RGO复合，不仅提高了CdS的有效催化活性面积，缩短了光生载流子的迁移距离，而且极大加快了载流子迁移速率，提高了量子利用效率，进而提高了复合材料的光催化制氢活性。光催化分解水制氢性能测试表明该三元复合材料光催化制氢性能优异。

技术领域

本发明属于催化材料制备领域，具体涉及以CdS半导体材料复合MOF-808和RGO而制备的一种稳定的光催化分解水制氢性能优异的三元复合材料及其制备方法。

背景技术

化石燃料的滥用，使得环境问题日益加剧，随着人们环保意识的提高和化石燃料的日益枯竭，发展环保可再生性能源显得尤为重要。太阳能是一种廉价的清洁能源，但是太阳能的能量密度低，不易储存和使用，需要将其转化为高密度的能源形式。氢能作为一种高密度可再生清洁的能源引了起国内外学者的广泛关注。相对于其他的能源转化形式,利用太阳能分解水制备洁净能源H₂是目前研究最热的新型能源转化形式之一。大多数光催化分解水制氢催化剂集中于d⁰电子构型的化合物(如Ti⁴⁺，Zr⁵⁺，Nb⁵⁺等)和d¹⁰电子构型的P区金属化合物(如Ga³⁺，In³⁺等)以及过渡金属氧化物和硫化物(如TiO₂、ZnO、CdS)等。在这些半导体材料中，由于CdS具有较窄的带隙(2.4eV)，能够有效的响应可见光，并且具有合适的产氢导带位置，使得其成为用于制H₂最多的材料之一。但是CdS在光催化反应过程中，光生电子和空穴快速复合和光辐射腐蚀等限制了其广泛使用。人们通常利用CdS复合其他纳米材料、调控半导体形貌、加入助催化剂修饰和元素掺杂等方法来提高CdS的活性和稳定性。例如已报道的CdS/RGO等复合材料，由于还原氧化石墨烯(RGO)具有较大的比表面积，优异的带电性和较高的载流子迁移率，可以提高光生电子和空穴的分离效率，因而CdS/RGO表现出增强的光催化活性。但是这些材料的合成方法和工艺复杂，能耗大，而且常常涉及使用大量的有机溶剂如二甲基亚砜等。不仅成本高，而且污染环境。因此，制备一种工艺简单、稳定高效的复合CdS材料用于光催化制氢显得尤为重要。

金属有机骨架材料(MOFs)是一种新颖的多孔材料，其具有较高的孔隙率和较大的比表面积等诸多优点。许多研究者将其用于光催化制氢等方面。有些MOFs自身能够表现出类似半导体的特征，而显示出一定的光催化活性，但是，并不能达到光催化制氢的活性要求。而多数MOFs并不具有可见光响应，因此为了提高其在光催化制氢中的应用，需要复合其他半导体纳米材料来进一步提高基于MOFs材料的光催化制氢性能。与传统的半导体光催化材料相比，基于MOFs的复合材料具有更高的孔隙率和更大的比表面积，有利于半导体纳米材料的附着生长，甚至可以将小尺寸半导体纳米材料高度分散于MOFs孔洞中，以减少半导体纳米材料的团聚，增加复合材料的反应活性位点。而且，MOFs的多孔性不仅能够赋予基于MOFs的复合材料更多的反应活性位点，而且能够增强其对反应底物的吸附、活化，并缩短光生载流子的迁移距离，降低载流子重组率，加快电荷转移速率，提高量子利用效率，极大的提高复合材料的光催化活性。例如已报道的C₃N₄/MIL-101(Fe)等半导体/MOF材料，通过半导体和MOF材料的协同作用而显示出优异的光催化活性。因此，以MOFs为基底的复合光催化材料具有很大的应用前景。

发明内容

本发明提供了一种稳定的光催化分解水制氢的三元复合材料的制备方法。本发明的目的在于提供一种工艺简单，制备成本低，污染小，稳定性好的三元复合材料光催化剂，且具有优异的光催化分解水制氢性能。