由水光催化氢生产和用于其的光解系统技术方案

在一个实施方式中，用于在光化辐射影响下由含氢前体生成双原子氢的光催化剂包括：SrTi03和Ti02的半导体载体，其中，半导体载体中SrTi03和Ti02的摩尔比是至少0.01；和所述半导体载体上的金和钯合金。本文包括了光催化剂系统、制造双原子氢的方法和制造光催化剂的方法的实施方式。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及用于生成双原子氢(diatomichydrogen)的光催化剂和用于制备这种催化剂的方法以及光解系统。
技术介绍
全球水平的能量和环境问题是重要的议题，并且在这个意义上，关注清洁能源的生成已经有一段时间。作为能量载体的双原子形式的氢具有至少部分满足全球能量需求的潜力。作为燃料，氢在用于散热和发电需求二者的内燃机、燃气轮机或燃料电池的直接使用中具有非常多的用途。作为反应组分，氢用在多种工业化学过程中，如例如甲醇、高级烃和氨的合成中。遗憾的是，不能大量获得天然的双原子形式的氢(H2，也称为分子氢或双原子氢)。而且，由于它的反应性高，氢更通常与其他元素，例如水和烃形式中的氧和/或碳结合。由这些化合物生成双原子氢与热力学法则冲突，因此需要另外的能量来使这些天然存在的键断裂。当双原子氢与氧反应时，释放储存在H-H键中的能量并产生作为最终产物的水(H2O)。这与约122千焦/克(kJ/g)的氢的能量密度结合带来了将双原子氢作为燃料使用的明显优势。目前，主要由化石燃料、生物质和水产生双原子氢。尽管通过天然气的蒸汽重整产生双原子氢的技术已经成熟，但是它不能保证是对于氢经济的长期策略，这是因为它既不是可持续的也不是清洁的。通过水的电解产生双原子氢不是能量有效过程，因为通过该过程得到的双原子氢带有比产生其所需投入的能量低的能量。因此，研究的焦点在于开发新的方法以便由可再生资源产生氢。认为生物质是可>再生能源，因为植物通过光合作用过程储存太阳能并且当经历适当的化学过程，即生物质燃烧时，可以释放该能量。以这种方式，生物质作用为地球上一类天然的能量储存器用于储存太阳能。全世界的太阳能利用率是约4.3x1020焦耳/小时(J/h)，对应于约1,000瓦/平方米(W/m2)的辐射通量密度。约5％的这种太阳能是UV辐射；光能高于3电子伏特(eV)。储存该太阳能的有利方法是通过生成双原子氢。在这种意义上，可以将太阳能用于光解水或生物质产物，诸如将生物乙醇光解为双原子氢。光催化剂最初是由Fujishima和Honda报导的(ElectrochemicalPhotolysisofWaterataSemiconductorElectrode,A.FujishimaandK.Honda,Nature,1972,238,37)。从那时起，在专利和科学文献中报导了许多光催化剂。Kudo和Miseki提供了这些发现的总结(Heterogeneousphotocatalystmaterialsforwatersplitting,A.Kudo,Y.Miseki,Chem.Soc.Rev.,2009,38,253-278)。其他已经报导了TiO2是已知的最具光催化活性的天然半导体且通过用贵金属改性TiO2、用其他离子掺杂TiO2、与其他半导体偶联、用染料敏化并添加牺牲试剂至反应溶液可以得到太阳光的有效用途(Nadeemetal.,ThephotoreactionofTiO2andAu/TiO2singlecrystalandpowderwithorganicadsorbates,IntJ.Nanotechnol.,Vol.9,Nos.1/2,2012)；PhotocatalytichydrogenproductionfromethanoloverAu/TiO2anataseandrutilenanoparticles,EffectofAuparticlesize,M.Murdoch,G.W.N.Waterhouse,M.A.Nadeem,M.A.Keane,R.F.Howe,J.Llorca,H.Idriss,NatureChemistry,3,489-492(2011)；ThePhotoreactionofTiO2andAu/TiO2singlecrystalandpowderSurfaceswithorganicadsorbates.Emphasisonhydrogenproductionfromrenewable.K.A.ConnellyandH.Idriss,GreenChemistry,14(2),260-280(2012)；EffectofGoldLoadingandTiO2SupportCompositionontheActivityofAu/TiO2PhotocatalystsforH2ProductionfromEthanol-WaterMixtures.V.Jovic,W-T.Chen,M.G.Blackford,H.Idriss,andG.I.N.Waterhouse,J.Catalysis,305,307-317(2013)；PhotocatalyticH2ProductionfromBioethanoloverAu/TiO2andPt/TiO2PhotocatalystsunderUVIrradiation-AComparativeStudy.V.Jovic,Z.H.N.Al-Azria,D.Sun-Waterhousea,H.Idriss,G.I.N.Waterhouse,TopicsinCatalysis,56,1139-1151(2013)；PhotonicBandGapAu/TiO2materialsashighlyactiveandstablePhotocatalystsforHydrogenproductionfromwater.G.I.N.Waterhouse,A.K.Wahab,M.Al-Oufi,V.Jovic,D.Sun-Waterhouse,A.Dalaver,J.Llorca,H.Idriss,ScientificReports,3,2849(1-5)|DOI:10.1038/srep02849(2013))。关于已知的光催化剂的问题是它们不仅活跃地生成氢，而且也活跃地使氢和氧反应。这具有这样的作用，水光解可能伴随着氢和氧至水的逆反应，使得双原子氢生成的整体速率降低。例如，当将钯负载的光催化剂悬于水中并且用光照射悬浮液时，通过光解生成的氢和氧在它们以分离的气泡形式离开催化剂之前将混合。该混合的氢和氧可以接触并且通过钯反应并且又形成水。因此仅可以得到相对少量的氢和氧。为了解决和/或补偿该问题，已经提出方法用于通过将粉状半导体光催化剂分散于水中并且摇晃整个反应装置，增加光和光催化剂之间的接触。这种摇晃要求使用机械能，使得用于生成氢的能量的量可能高于以双原子氢形式得到的能量的量。提出的另一解决方案是将光催化剂置于吸水材料上，并且通过用水浸渍吸水材料使表面变湿，然后本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于在光化辐射影响下由含氢前体生成双原子氢的光催化剂，包括：SrTiO3和TiO2的半导体载体，其中，所述半导体载体中SrTiO3和TiO2的摩尔比是至少0.01；和所述半导体载体上的金和钯合金。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于在光化辐射影响下由含氢前体生成双原子氢的光催化剂，包括：
SrTiO3和TiO2的半导体载体，其中，所述半导体载体中SrTiO3和TiO2的摩尔比是至少
0.01；和
所述半导体载体上的金和钯合金。
2.根据权利要求1所述的光催化剂，其中，所述合金作为具有1-100nm的平均长轴长度
的颗粒存在于所述半导体载体上。
3.根据权利要求1-2中任一项所述的光催化剂，其中，基于所述合金的重量，所述合金
包含10-90wt％的钯和90-10wt％的金。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的光催化剂，其中，基于所述合金的重量，所述合金
包含大于或等于90wt％、优选大于或等于95wt％、并且更优选大于或等于99wt％的钯和金。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的光催化剂，其中，所述合金中大于或等于90wt％、
优选大于或等于95wt％、更优选大于或等于99wt％的金和钯以它们的非氧化态存在。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的光催化剂，其中，所述合金进一步包含银和铜中的
至少一种。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的光催化剂，其中，选择SrTiO3和TiO2的摩尔比，使得
所述半导体载体具有2.8eV和3.3eV之间的一个或多个、优选两个带隙。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的光催化剂，其中，基于所述半导体载体和所述合金
的总重量，所述合金的量是0.1至10wt％。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的光催化剂，其中，使用氮吸收技术，所述光催化剂
具有30至60m2/g催化剂的BET表面积。
10.根据权利要求1-8中任一项所述的光催化剂，其中，使用氮吸收技术，所述光催化剂
具有10至50m2/g光催化剂的BET表面积。
11.根据权利要求1-7中任一项所述的光催化剂，其中，所述合金的至少部分覆盖有所
述半导体载体层。
12.根据权利要求11所述的光催化剂，其中，所述层具有1至5nm、优选1至3nm、更优选1-
2nm的厚度。
13.根据权利要求1-12中任一项所述的光催化剂，其中，所述半导体载体是包含SrTiO3和TiO2的混合物，所述混合物是物理上不能分离的。
14.一种用于制备根据权利要求1-12中任一项所述的光催化剂的方法，包括提供半导
体载体以及沉积金和钯，使得金和钯合金形成在所述半导体载体上。
15.一种用于由含氢前体生成双原子氢的方法，包括使根据权利要求1-13中任一项所
述的光催化剂与所述含氢前体接触，同时将所述光催化剂暴露于光化辐射。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述光化辐射具有至少2.5eV的光子能量和至
少0.1mW\...

【专利技术属性】
技术研发人员：希卡姆·伊德里斯，阿梅德·瓦哈卜·哈贾，塔伊沃·奥德代罗，马吉德·穆罕默德·穆萨，
申请(专利权)人：沙特基础工业公司，
类型：发明
国别省市：沙特阿拉伯;SA