一种光生电子与氧化还原电对空间分离的Z-机制光催化全解水系统的构建方法技术方案

本发明专利技术涉及光催化分解水制氢领域，具体为一种光生电子与氧化还原电对空间分离的Z

【技术实现步骤摘要】
一种光生电子与氧化还原电对空间分离的Z
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机制光催化全解水系统的构建方法


[0001]本专利技术涉及光催化分解水制氢领域，具体为一种光生电子与氧化还原电对空间分离的Z
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机制光催化全解水系统的构建方法。

技术介绍

[0002]光催化分解水能够将太阳能转化为氢能，是解决能源与环境问题的重要途径。通过模拟自然界光合作用中光生电荷的Z型转移机制，利用产氢光催化材料、氧化还原电对、产氧光催化材料构建的Z
‑
机制光催化全解水系统是太阳能高效利用的有效手段。
[0003]Z
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机制光催化全解水系统的基本原理与光合作用类似。产氢光催化材料受光激发产生光生电子和空穴，光生电子与水反应生成氢气，光生空穴将氧化还原电对的还原态氧化为氧化态；产氧光催化材料受光激发产生的光生空穴与水反应产生氧气，光生电子将氧化还原电对的氧化态还原为还原态；氧化还原电对在反应过程中起到了消耗产氢光催化材料与产氧光催化材料中光生空穴与电子的作用，实现光生电荷类光合作用Z型转移。然而，由于产氢光催化材料中的光生电子在参与水分解制氢反应的同时，同样能够将氧化还原电对还原为还原态，导致部分光生电子不能被有效利用，使得Z
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机制光催化全解水系统的太阳能转化效率往往较低。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提出一种光生电子与氧化还原电对空间分离的Z
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机制光催化全解水系统的构建方法，通过空间隔离的方法，减少产氢光催化材料中光生电子的损耗，可实现太阳能利用效率的显著提升。
[0005]本专利技术的技术方案是：
[0006]一种光生电子与氧化还原电对空间分离的Z
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机制光催化全解水系统的构建方法，以单畴铁电半导体材料为产氢光催化材料，阳离子型氧化还原电对为电荷传输媒介，高活性光催化材料为产氧光催化材料，分散于水溶液中，构成光生电子与氧化还原电对空间选择性分离Z
‑
机制光催化全解水系统。
[0007]所述的光生电子与氧化还原电对空间分离的Z
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机制光催化全解水系统的构建方法，分散于水溶液中的单畴铁电半导体材料的浓度为10mg/L～20g/L，阳离子型氧化还原电对在水溶液中的摩尔浓度为0.01mM～10M，分散于水溶液中的高活性光催化材料的浓度为10mg/L～20g/L。
[0008]所述的光生电子与氧化还原电对空间分离的Z
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机制光催化全解水系统的构建方法，单畴铁电半导体材料为各类单畴铁电材料，包括金属氧化物半导体、金属氧氮化合物半导体或以此类半导体材料为基体同其他半导体材料组成的异质结构型复合材料。
[0009]所述的光生电子与氧化还原电对空间分离的Z
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机制光催化全解水系统的构建方法，金属氧化物半导体为PbTiO3、BaTiO3或Bi3TiNbO9，金属氧氮化合物半导体为SrTaO2N。
[0010]所述的光生电子与氧化还原电对空间分离的Z
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机制光催化全解水系统的构建方法，阳离子型氧化还原电对为各类阳离子型氧化还原电对，包括Fe
3+/2+
、[Co(bpy)3]3+/2+
、[Co(phen)3]3+/2+
、[Co(terpy)3]3+/2+
、VO
2+
/VO
2+
之一或两种以上不同氧化还原电对的混合型电对。
[0011]所述的光生电子与氧化还原电对空间分离的Z
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机制光催化全解水系统的构建方法，高活性光催化材料为各类高活性产氧光催化材料，包括BiVO4、WO3、Ta3N5、Bi4NbO8Cl之一或以此类半导体材料为基体同其他半导体材料组成的异质结构型复合材料。
[0012]所述的光生电子与氧化还原电对空间分离的Z
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机制光催化全解水系统的构建方法，水溶液为纯水或经H2SO4、NaOH以及各类缓冲液调节pH值在1～14内连续调变的水溶液。
[0013]所述的光生电子与氧化还原电对空间分离的Z
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机制光催化全解水系统的构建方法，单畴铁电半导体材料表面修饰产氢助催化剂，产氢助催化剂为Pt、Rh、Ru、Ir、Ni和RhCrO
x
之一或两种以上的混合物，所负载产氢助催化剂质量占单畴铁电半导体材料质量的0.01％～50％。
[0014]所述的光生电子与氧化还原电对空间分离的Z
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机制光催化全解水系统的构建方法，按需求在产氢助催化剂表面修饰壳层结构。
[0015]所述的光生电子与氧化还原电对空间分离的Z
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机制光催化全解水系统的构建方法，产氧光催化材料表面修饰产氧助催化剂，产氧助催化剂为CoO
x
、NiO
X
、RuO
x
、PtO
x
之一或两种以上的混合物，所负载助产氧助催化剂质量占产氧光催化材料质量的0.01％～50％。
[0016]本专利技术的设计思想是：
[0017]为了进一步提高Z
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机制系统的太阳能转化效率，本专利技术提出光生电子与氧化还原电对空间分离的概念。以单畴铁电材料为光催化产氢材料，在单畴铁电材料体相内建电场的作用下，光生电子与阳离子型氧化还原电对分布于铁电材料表面正极性面和负极性面两个空间分离的区域，光生电子还原氧化还原电对的过程被有效抑制，从而起到提高Z
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机制系统光催化活性的作用。
[0018]本专利技术的优点及有益效果是：
[0019]本专利技术通过以单畴铁电材料为光催化产氢材料，阳离子型氧化还原电对为电荷传输媒介，高活性光催化材料为产氧光催化材料，可构建光生电子与氧化还原电对空间选择性分离Z
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机制光催化全解水系统，实现光生电子的高效利用，有效提高Z
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机制系统的太阳能转化效率。
附图说明
[0020]图1.单畴铁电材料PbTiO3表面Pt、MnO
x
的光催化选择性沉积的扫描照片。
[0021]图2.单畴铁电材料PbTiO3表面FeO
x
的选择性吸附沉积的扫描照片。
[0022]图3.高活性光催化材料Bi4NbO8Cl的扫描照片
[0023]图4.高活性光催化材料BiVO4的扫描照片。
[0024]图5.铁电材料BaTiO3的扫描照片。
[0025]图6.光生电子与氧化还原电对空间分离的Z
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机制光催化全解水系统示意图。
[0026]图7.Z
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机制光催化系统的光催化分解水产氢与产氧量与时间关系图。图中，横坐标Time代表时间(h)，纵坐标Gas evolvtion代表气体析出量(μmol)。
[0027]具体实施方法
[0028]在具体实施过程中，本专利技术光生电子与氧化还原本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光生电子与氧化还原电对空间分离的Z
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机制光催化全解水系统的构建方法，其特征在于，以单畴铁电半导体材料为产氢光催化材料，阳离子型氧化还原电对为电荷传输媒介，高活性光催化材料为产氧光催化材料，分散于水溶液中，构成光生电子与氧化还原电对空间选择性分离Z
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机制光催化全解水系统。2.按照权利要求1所述的光生电子与氧化还原电对空间分离的Z
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机制光催化全解水系统的构建方法，其特征在于，分散于水溶液中的单畴铁电半导体材料的浓度为10mg/L～20g/L，阳离子型氧化还原电对在水溶液中的摩尔浓度为0.01mM～10M，分散于水溶液中的高活性光催化材料的浓度为10mg/L～20g/L。3.按照权利要求1或2所述的光生电子与氧化还原电对空间分离的Z
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机制光催化全解水系统的构建方法，其特征在于，单畴铁电半导体材料为各类单畴铁电材料，包括金属氧化物半导体、金属氧氮化合物半导体或以此类半导体材料为基体同其他半导体材料组成的异质结构型复合材料。4.按照权利要求3所述的光生电子与氧化还原电对空间分离的Z
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机制光催化全解水系统的构建方法，其特征在于，金属氧化物半导体为PbTiO3、BaTiO3或Bi3TiNbO9，金属氧氮化合物半导体为SrTaO2N。5.按照权利要求1或2所述的光生电子与氧化还原电对空间分离的Z
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机制光催化全解水系统的构建方法，其特征在于，阳离子型氧化还原电对为各类阳离子型氧化还原电对，包括Fe
3+/2+
、[Co(bpy)3]
3+/2+
、[Co(phen)3]
3+/2+
、[Co(terpy)3]
3+/2+
、VO<...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘岗，康宇阳，齐浩志，成会明，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：