[发明专利]利用超细3C-SiC纳米晶表面自催化效应电化学分解水制氢的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用超细3C-SiC纳米晶表面自催化效应电化学分解水制氢的方法。

背景技术

氢气是一种具有很高能量密度的绿色能源载体。通过水的分解来制备氢气可以实现一个可持续的能量循环，对解决全球面临的能源和环境问题具有巨大的应用价值。由于水分解制氢在科学和技术上的重要性，长期以来人们一直在寻找高效的材料来实现电催化和光电化学分解水制氢。从物理的角度来看，固体材料的表面与水分子的相互作用应当是水分解制氢反应的推动力。然而，从分子层次上揭示材料的表面效应对氢析出反应的催化作用仍未能从实验上实现。最近，水与固体表面之间的相互作用因其在多相催化、电化学和腐蚀过程等领域的广泛应用吸引了越来越多的研究兴趣。一些研究表明，和传统观念不同，在一些固体材料表面，水分子不是简单的吸附，而是通过表面自催化过程裂解形成-H和-OH物种并键合在材料表面形成一种复合结构(G.Cicero et al.，Phys.Rev.Lett.2004，93，016102；B.Meyer et al.，Angew.Chem.Int.Ed.2004，43，6642-6645；O.Dulub et al.，Phys.Rev.Lett.2005，95，136101；G.S.Parkinson et al.，J.Am.Chem.Soc.2011，133，12650-12655.)。基于这些材料的这种表面自催化效应，开发一种先进的催化剂以实现高效率的电化学分解水制氢成为可能。

在研究水和纳米晶表面的相互作用的过程中，我们通过光致发光谱的测定发现超细3C-SiC纳米晶可以通过表面自催化效应将吸附的水分子分解，形成-H和-OH基团组成的复合结构(X.L.Wu et al，Nano Lett.2009，9，4053-4060.)。第一性原理计算表明，硅终止的3C-SiC纳米晶的表面能够解离水分子，形成-H和-OH分别键合在Si-Si二聚体的两端。这项研究为我们提供了一个基于超细3C-SiC纳米晶表面的自催化效应来降低水分解反应的势垒从而实现水分解制氢的途径。本发明所提供的利用超细3C-SiC纳米晶表面自催化效应电化学分解水制氢的方法，加深了从分子尺度对氢析出反应机理的理解，为实现可持续的和经济的氢制备技术提供了新的途径。

发明内容

本发明目的是提供一种利用超细3C-SiC纳米晶表面自催化效应电化学分解水制氢的方法，可以实现高效的电催化分解水制氢。

本发明的技术方案：一种利用超细3C-SiC纳米晶表面自催化效应电化学分解水制氢的方法，采用化学腐蚀法制备超细3C-SiC纳米颗粒的悬浮液，制得超细3C-SiC纳米晶的粒度分布为1.5～7.5nm，最多分布的粒径是3～6nm。将此悬浮液滴涂在导电的玻碳基片上制得超细3C-SiC纳米晶薄膜电极，将此电极用于电化学分解水制氢的反应，显示出良好的电催化活性。该电催化活性产生的原因是超细3C-SiC纳米晶的表面能够通过表面自催化过程解离水分子，形成-H和-OH分别键合在Si-Si二聚体的两端的结构，这种自催化效应能够显著降低水分解的活化势垒。3C-SiC纳米粒子的尺寸在激子波尔半径附近才能有明显的自催化分解水的效应，并且随着粒径的降低催化能力增强。

化学腐蚀法制备超细3C-SiC纳米晶的方法：通常情况下，约6.0克微米级的3C-SiC粉体放置于塑料烧杯作为反应物，蚀刻液为15毫升65wt％硝酸(HNO₃)和45毫升40wt％氢氟酸(HF)组成，蚀刻反应温度为100～110℃，反应时间为1小时。反应后，将所得酸与粉末的混和液冷却至室温，静置数小时或离心沉淀(8000转/分钟，离心5分钟)后，倒去上层反应残余酸液。将得到的粉末用去离子水反复清洗，再将得到的粉末置于烘箱中在70℃下经数小时烘干。将烘干后的粉末放置于玻璃烧杯中，加入30毫升去离子水，超声振荡约30～60分钟。将所得产物静置数小时或离心沉淀(8000转/分钟，离心10分钟)后，取上层清液，即可得超细3C-SiC纳米晶在水中的悬浮液。透射电子显微镜表征结果表明所得纳米晶的形貌为近似球形，通过粒度分析仪测试得到粒度分布为1.5～7.5nm。