光催化方法和光催化体系技术

本发明专利技术属于光催化技术领域，具体涉及一种光催化方法和光催化体系。该光催化方法包括如下步骤：提供彼此分离的光催化剂、助催化剂和牺牲剂溶液；将所述光催化剂和所述助催化剂溶于所述牺牲剂溶液中，进行光催化产氢反应。本发明专利技术提供的光催化方法，将光催化剂和助催化剂直接溶于牺牲剂溶液中进行光催化产氢反应，在牺牲剂溶液中助催化剂可以不断与光催化剂相互碰撞，因助催化剂的高电子迁移率，碰撞过程中光催化剂表面的电子从碰撞界面快速转移至助催化剂上，这样不仅实现了光生电子和空穴的高效分离，也极大提高了光生电子的还原反应速率，从而实现光催化剂高效稳定产生氢气。从而实现光催化剂高效稳定产生氢气。从而实现光催化剂高效稳定产生氢气。

【技术实现步骤摘要】
光催化方法和光催化体系


[0001]本专利技术属于光催化
，具体涉及一种光催化方法和光催化体系。

技术介绍

[0002]氢能作为最受瞩目的清洁和无碳能源，是化石燃料理想的替代品，但是现有工业技术难以适于生产燃料用途的氢气。利用光催化技术将太阳能转化为氢气被认为是最具前景的制氢途径之一，有望从根本上解决能源短缺和环境污染问题。
[0003]光催化反应就是利用半导体的结构特性将太阳能转换成高能量密度的化学能并且储存在化学键里的反应过程。半导体材料具有不连续的能带结构，即包含能量高的空的导带(Conduction Band，CB)和能量低的满的价带(Valence Band，VB)。而导带底端和价带顶端的能量带隙被称为禁带，禁带宽度用Eg表示，价带上的电子不稳定，当半导体受到能量大于其禁带宽度的光照射时，价带电子吸收能量跃迁到导带，在价带上留下光生空穴(h
+
)。导带上的光生电子具有强还原性，可以将H
+
离子还原成H2，价带上的光生空穴具有强氧化性，可以将水氧化成O2。
[0004]半导体光催化水分解产氢的关键在于选择适宜的光催化剂。然而，早期的光催化剂如TiO2等大多为紫外光响应的(紫外光占太阳光能量的5％，可见光占太阳光能量的大约46％)，对太阳光的利用率过低，价带和导带电位无法同时满足催化反应需要，光生电子空穴对易复合，因此具有量子效率低、成本过高等诸多问题。为克服光催化剂存在的缺点，有研究人员提出诸多改性策略，其中负载助催化剂制成复合光催化剂应用较为广泛，但是存在负载稳定性问题，在普通光催化体系中，助剂负载在光催化剂表面，随着反应进行，助剂发生脱落，因为普通助催化剂电子迁移率不高，脱落后无法有效传递光生电子，严重影响光生电子的利用，导致产氢活性明显下降，无法实现长时间高效产氢。另外助剂负载量有限，负载量大会影响光催化剂可见光吸收和遮蔽活性位点，负载量小反应活性位点少，会影响电子发生还原反应速率，降低光生电子利用率。
[0005]因此，相关技术有待改进。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种光催化方法和光催化体系，旨在解决现有光催化剂不稳定，从而产氢效果不理想的技术问题。
[0007]为实现上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0008]本专利技术一方面提供一种光催化方法，包括如下步骤：
[0009]提供彼此分离的光催化剂、助催化剂和牺牲剂溶液；
[0010]将所述光催化剂和所述助催化剂溶于所述牺牲剂溶液中，进行光催化产氢反应。
[0011]本专利技术提供的光催化方法，将分离的光催化剂和助催化剂直接溶于牺牲剂溶液中进行光催化产氢反应，具体地，在牺牲剂溶液中助催化剂可以不断与光催化剂相互碰撞，碰撞过程中光催化剂表面的电子从碰撞界面快速转移至助催化剂上，这样不仅实现了光生电
子和空穴的高效分离，也极大提高了光生电子的还原反应速率，从而实现光催化剂高效稳定产生氢气。本专利技术的光催化方法使用独立的光催化剂和助剂，不需要复合光催化剂，摆脱了复合光催化剂的合成限制，因此应用广泛。
[0012]本专利技术另一方面提供一种光催化体系，包括分离的光催化剂和助催化剂，分离的所述光催化剂和所述助催化剂在使用时被混合在一起。
[0013]本专利技术提供的光催化体系包括分离的光催化剂和助催化剂，光催化剂受可见光照射产生光生电子空穴对，并从内部迁移到表面，助催化剂具有高电子迁移率，将分离的光催化剂和助催化剂混合在一起碰撞过程中光催化剂表面的电子从碰撞界面快速转移至助催化剂上实现高效稳定产氢。该光催化体系使用独立的光催化剂和助剂，不需要复合光催化剂，因此摆脱了复合光催化剂的合成限制，应用广泛。
附图说明
[0014]图1是本专利技术的光催化方法的流程示意图；
[0015]图2是本专利技术的光催化方法的原理示意图；
[0016]图3是本专利技术实施例1和对比例1的产氢速率对比图；
[0017]图4是本专利技术实施例1的光催化产氢稳定性测试图；
[0018]图5是本专利技术实施例1的光催化产氢稳定性测试图。
具体实施方式
[0019]为了使本专利技术要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0020]一方面，本专利技术实施例提供了一种光催化方法，如图1所示，该光催化方法包括如下步骤：
[0021]S01：提供彼此分离的光催化剂、助催化剂和牺牲剂溶液；
[0022]S02：将所述光催化剂和所述助催化剂溶于所述牺牲剂溶液中，进行光催化产氢反应。
[0023]本专利技术实施例提供的光催化方法，将各自分离的光催化剂和助催化剂直接溶于牺牲剂溶液中进行光催化产氢反应，光催化剂受可见光照射产生光生电子空穴对，并从内部迁移到表面，而在牺牲剂溶液中助催化剂可以不断与光催化剂相互碰撞，因助催化剂的高电子迁移率，碰撞过程中光催化剂表面的电子从碰撞界面快速转移至助催化剂上，这样不仅实现了光生电子和空穴的高效分离，也极大提高了光生电子的还原反应速率，从而实现光催化剂高效稳定产生氢气。本专利技术的光催化方法使用独立的光催化剂和助剂，不需要复合光催化剂，摆脱了复合光催化剂的合成限制，因此应用广泛。
[0024]如图2所示，以牺牲剂溶液为Na2S-Na2SO3水溶液为例，在可见光(visible light)光照过程中，牺牲剂溶液中的助催化剂不断与光催化剂碰撞，因助催化剂具有高电子迁移率，碰撞过程中光催化剂表面的电子能够从碰撞界面快速转移至助催化剂颗粒上，从而实现了光生电子和空穴的高效分离，极大提高了光生电子的产氢反应速率。因助催化剂对光催化剂可见光吸收影响较小，助催化剂含量可以大大提升，从而显著增加体系中产氢活性
位点，进一步提高产氢反应速率。与此同时，在价带位置上的空穴可以被牺牲剂溶液中的Na2S/Na2SO3迅速去除，从而减弱了光腐蚀现象，进一步提升光催化剂产氢稳定性，延长了催化寿命。
[0025]本专利技术实施例中，可以将助催化剂和光催化剂分开存放，在光催化产氢反应开始前，一起溶解在牺牲剂溶液中(助催化剂和光催化剂可以分别加入牺牲剂溶液中再混合，或者助催化剂和光催化剂可以混合后一起加入牺牲剂溶液中，两种溶解方式均可以实现本专利技术之目的)，通过反应过程中颗粒碰撞实现光生电子的转移，即可实现光催化剂高效稳定产氢，无需额外的负载制成复合催化剂。
[0026]进一步地，上述光催化剂的带隙能不大于3.0eV，为了能够更好地利用占太阳光能量约46％的可见光，本申请的可见光响应半导体光催化剂的带隙能≤3.0eV。更进一步地，考虑到动力学过电势在驱动产氢和产氧反应中的能量损失，该光催化剂的带隙能优选在1.5-2.5eV之间。
[0027]在一个实施例中，所述光催化剂可以是常规的光催化纳米材料，但优选具有二维层状结构的纳米材料。二维层状结构本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光催化方法，其特征在于，包括如下步骤：提供彼此分离的光催化剂、助催化剂和牺牲剂溶液；将所述光催化剂和所述助催化剂溶于所述牺牲剂溶液中，进行光催化产氢反应。2.如权利要求1所述的光催化方法，其特征在于，所述光催化剂的带隙能不大于3.0eV，优选地，所述光催化剂的带隙能在1.5-2.5eV之间，更优选地，所述助催化剂的电子迁移率大于等于100cm2/Vs，再优选地，所述助催化剂的电子迁移率为100-2000cm2/Vs。3.如权利要求2所述的光催化方法，所述光催化剂选自具有二维层状结构的纳米材料，优选地，所述光催化剂选自g-C3N4纳米材料、SnS2纳米材料和Zn
x
Cd
1-x
S纳米材料中的至少一种，其中0≤X≤1，更优选地，所述光催化剂选自g-C3N4纳米片、SnS2纳米片和Zn
x
Cd
1-x
S纳米片中的至少一种，其中0≤X≤1。4.如权利要求3所述的光催化方法，其特征在于，所述助催化剂选自过渡金属二硫化物的纳米晶或过渡金属二硫化物的纳米片，优选地，所述助催化剂选自MoS2纳米晶、CoS2纳米晶、NiS2纳米晶、WS2纳米晶、MoS2纳米片和WS2纳米片中的至少一种。5.如权利要求4所述的光催化方法，其特征在于，所述过渡金属二硫化物的纳米晶的粒径为8-15nm，或所述过渡金属二硫化物的纳米片的厚度为2-5nm。6.如权利要求1-5任一项所述的光催化方法，其特征在于，所述光催化剂与所述助催化剂的质量比为(9:...

【专利技术属性】
技术研发人员：马松，刘文勇，
申请(专利权)人：武汉国创科光电装备有限公司，
类型：发明
国别省市：