[发明专利]一种用于光催化全水解的单原子催化剂及其制备方法

说明书

本发明提供一种新型Pd单原子负载石墨相氮化碳的光催化全解水催化剂，其中Pd单原子的负载量为0.16wt％～1.12wt％，并且提供上述光催化剂的制备方法。将氯钯酸六水化合物(H₂PdCl₆·6H₂O)作为Pd源、以石墨相氮化碳作为载体，通过改进的浸渍法将单原子Pd均匀负载在石墨相氮化碳上。本发明与纯石墨相氮化碳、Pd纳米颗粒负载的石墨相氮化碳相比具有更好的光催化全解水性能和稳定性，所得Pd‑SA/g‑C₃N₄的H₂和O₂的演化速率达到15μmol g_catal^‑1h^‑1和8μmol g_catal^‑1h^‑1，在五个连续的循环反应中持续50小时的稳定性。在五个循环反应中，Pd‑SA/g‑C₃N₄上氢气(氧气)的生成速率几乎相同。

技术领域

本发明属于光催化全解水催化剂领域，具体涉及一种新型Pd单原子负载石墨相氮化碳(Pd-SA/g-C₃N₄)的光催化剂及其制备方法。

背景技术

化石燃料因其能量含量高、用途广泛被用作主要能源，其消耗量约占世界一次能源需求的80％。这些燃料的过度燃烧会产生温室气体，尤其是二氧化碳 (CO₂)从而导致全球变暖。因此，找到绿色、可替代的能源已是大势所趋。由于太阳能是清洁、绿色和取之不尽，并且可以直接或间接使用，所以人们越来越重视开发和使用太阳能来补充或取代传统能源。然而，太阳能转换利用效率有限，因此其利用和储存面临巨大挑战。人们认为以化学形式有效储存太阳能可以达到未来全球对能源的需求。

光催化技术不仅可以将太阳能转化为电能和化学能，也可以直接降解水中和空气中的污染物。通过该技术，利用绿色、可持续的太阳光将水分解生成氢气和氧气，是改善能源短缺和环境污染问题的一个解决方法。并且氢是一种无污染、高能量密度的能源，其被认为是最具潜力的替代化石等不可持续能源的能源。

在过去的四十年里，人们研究了数百种半导体作为光催化剂。然而，目前还没有一种光催化剂能达到预期的性能。因此，人们对新型光催化剂的开发进行了大量的研究。近年来，共价氮化碳(CN)光催化剂因其成本低、无毒、稳定性高、易于合成和改性等独特性能受到人们的广泛关注。然而，传统的含氮前驱体的热诱导聚合通常会形成一种无定形或半结晶的Melon基结构。研究发现基于Melon结构的CN由桥连酰亚胺连接的一维庚嗪单元组成，形成锯齿型链。不同的链通过氢键连接形成二维(2D)平面，这与石墨氮化碳(g-C₃N₄) 不同。由于前体的不完全聚合导致形成无定形或半结晶相。因此，基于Melon 结构的CN在光催化反应中仅表现出中等性能。针对无法完全缩合和脱氨基的动力学问题，可以试着通过添加溶剂，为反应物提供更多的流动性来解决。石墨氮化碳(g-C₃N₄)作为共价氮化碳在环境条件下最稳定的同素异形体，已在从半导体到燃料电池的许多领域显示出潜在的应用。近年来，由于其独特的物理化学和电子特性，g-C₃N₄被证明是一种新型的光催化材料，并且g-C₃N₄具有适合裂解水的能带电位。然而由于g-C₃N₄自身缺陷较多，其表面光生载流子的快速结合，造成纯g-C₃N₄难以完全裂解水。