[发明专利]一种光催化制氢体系及其应用

说明书

本发明涉及新能源领域，本发明公开了一种光催化制氢体系及其应用。该光催化制氢体系包括光催化剂、电子牺牲剂、氧气、溶剂和光源；所述光催化剂为CdS、P掺杂改性CdS、Insubgt;2/subgt;Osubgt;3/subgt;、P掺杂改性Insubgt;2/subgt;Osubgt;3/subgt;、Insubgt;2/subgt;Ssubgt;3/subgt;、P掺杂改性Insubgt;2/subgt;Ssubgt;3/subgt;、Cesubgt;2/subgt;Ssubgt;3/subgt;和P掺杂改性Ce2S3的一种或多种；所述溶剂为无机碱的水溶液；所述气体包含气相中氧气和溶解于水中的氧气。在本发明的光催化制氢体系中，只需选择导价带位置合适的可见光催化剂，在空气氛围中就能高效产氢，整个光催化体系构筑简单且安全可靠，这将会推动未来制氢方式的改进，具有巨大的应用潜力。

技术领域

本发明涉及新能源领域，尤其涉及一种光催化体系及其应用。

背景技术

能源问题已经成为制约人类社会发展的关键问题之一。开发绿色清洁能源，实现能源体系的低碳转型是实现碳达峰碳中和目标的首要任务。太阳能作为地球大部分能源的来源，具有安全可靠，绿色清洁和广泛易得的优点。但由于天气变化和地理环境等因素使得其具有间歇性和随机性等因素严重的制约了人们高效开发利用太阳能资源。

氢气作为二次绿色能源，具有来源多样、适合大范围储能、用途广泛、能量密度高等多种优势。近年来，光催化分解水制氢技术被认为是实现可持续高效清洁生产氢气的重要途径，素有“水中取火”的美誉。而光催化剂一直是整个催化制氢技术的关键，设计开发廉价、稳定且高效的可见光催化材料一直是该领域的研究热点。国内外研究者通过对光催化剂材料进行改性，如调控分子水平能带、增加可见光吸收、加快光生载流子分离与传递、改变光催化活性位点、调节体相电荷定向扩散等一系列先进技术，提升了光催化制氢的活性。然而，改性光催化材料通常存在合成路线复杂、材料结构不可控和催化性能不稳定等诸多问题，从而导致整体光催化制氢体系不能平稳高效的运行。另外，传统光催化制氢体系需要在真空或者惰性气体保护下，利用贵金属铂作为助催化剂才能进行，这无疑进一步增加了得到高纯氢的成本。

因此，本发明提供了一种稳定且高效的光催化产氢体系，选用一类能还原氧气的可见光催化剂，并进行简单的结构改性，使其对氧气有更强的特异性作用，从而促进光催化产氢的活性和稳定性。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种光催化制氢体系及其应用。

本发明的具体技术方案为：

第一方面，本发明提供了一种光催化制氢体系，包括光催化剂、电子牺牲剂、氧气、溶剂和光源。

其中，所述光催化剂为CdS、P掺杂改性CdS、In₂O₃、P掺杂改性In₂O₃、In₂S₃、P掺杂改性In₂S₃、Ce₂S₃和P掺杂改性Ce₂S₃的一种或多种。所述电子牺牲剂为0.1～5mol/L的生物质水溶液。所述溶剂为无机碱的水溶液。所述气体包含气相中氧气和溶解于水中的氧气。所述光催化剂的质量为电子牺牲剂的1/500～1/10；所述的氧气含量为0.01-1.00atm。

本发明所选的光催化剂均为可见光响应的光催化剂，且这些催化剂的导带位置比氧气还原电位(O₂+e^-→O₂^·E＝-0.33V)更负的光催化剂。进一步地，本发明团队发现当选择上述光催化剂时，可通过控制氧气的压力或浓度来控制氢效率。在传统制氢体系中，制氢效率随着氧气压力或浓度的升高而降低(因为水分解制氢反应为可逆反应)。其原因在于本发明的上述几类光催化剂的特定晶面结构对氧气具有特异性作用。