一种铂单原子/簇修饰的光敏化体系及制备方法和用途技术

本发明专利技术涉及近红外光全分解水光催化剂，特指一种铂单原子/簇修饰的光敏化体系及制备方法和用途。首先采用原位螯合作用或静电吸附手段实现植酸镍配合物在氮化碳表面的构筑得到植酸镍/氮化碳复合体系，然后在近红外光的条件下通过光敏化作用在植酸镍/氮化碳复合体系中选择性地光照沉积铂单原子/簇在氮化碳表面上得到光催化剂，并将其用于近红外光全分解水反应。本发明专利技术的优点在于不需要额外高温和额外电场以及不需要昂贵复杂的设备即可获得铂单原子/簇，而且所得到的催化活性位点不是随意分布的，而是与催化反应过程一一相对应的，首次通过低能耗的近红外光实现了铂单原子/簇在光敏化体系中的负载。光敏化体系中的负载。光敏化体系中的负载。

【技术实现步骤摘要】
一种铂单原子/簇修饰的光敏化体系及制备方法和用途


[0001]本专利技术涉及近红外光全分解水光催化剂，特指一种铂单原子/簇修饰的光敏化体系及制备方法和用途。利用原位光照沉积的方法在植酸镍/氮化碳复合体系中选择性地将铂单原子/簇原位光沉积在氮化碳上，可用于近红外光(波长大于800nm以上)光催化全分解水。

技术介绍

[0002]近年来，在能源枯竭问题日趋紧张以及环境问题日趋严峻的大背景下，利用光催化全分解水制取氢气作为绿色燃料被认为是未来可再生能源技术应用的基础(D.M.Zhao,Y.Q.Wang,C.L.Dong,Y.C.Huang,J.Chen,F.Xue,S.H.Shen,L.J.Guo,Nat.Energy 2021,6,388
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397)。在实际应用中，充分利用太阳光以获得较高的效率仍然是一个巨大的挑战。根据太阳光响应的范围，目前已开发的能全分解水的材料基本上都是紫外光或者可见光响应的半导体材料，绝大部分光催化剂不能在近红外光条件下进行全分解水反应。从太阳光谱组成来看，近红外光区达50％以上(Z.C.Lian,M.Sakamoto,J.Vequizo,C.Ranasinghe,A.Yamakata,T.Nagai,K.Kimoto,Y.Kobayashi,N.Tamai,T.Teranishi,J.Am.Chem.Soc.2019,141,2446
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2450.)。因此，为最大限度利用太阳能，开发近红外光响应的光催化全分解水光催化剂成为当前化学反应工程领域研究的热点。/>[0003]近年来，国内外学者们围绕着近红外光全分解水光催化剂开展了系列研究工作，取得了一些突破性研究进展。所报道的催化剂设计思路基本可以分为能带调控和异质复合两类。能带调控思路通过能带结构的设计和调控，直接构建近红外光响应的窄带隙半导体催化剂。2017年华东理工大学杨化桂教授等人报道的氮化钨(WN)光催化剂带隙为1.55eV，可以实现近红外光(λ＝765nm)全分解水性能(Y.L.Wang,T.Nie,Y.H.Li,X.L.Wang,L.R.Zheng,A.P.Chen,X.Q.Gong,H.G.Yang,Angew.Chem.Int.Ed.2017,129,7538
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7542.)。但由于自身带隙中存在杂质能级，往往使得该类窄带隙半导体催化剂催化活性表现较不理想，稳定性也较差(Y.H.Sang,Z.H.Zhao,M.W.Zhao,P.Hao,Y.H.Leng,H.Liu,Adv.Mater.2015,27,363
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369.)。异质复合思路主要是通过在紫外或可见光响应的宽带隙催化剂上复合构建近红外光响应的助催化剂，实现近红外光条件下的全分解水。由于催化剂体系的调控空间较大、性能优异，这种思路已成为当前主流的研究思路。2020年中国科学院兰州化学物理研究所吕功煊教授等人率先利用NaYF4–
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稀土元素上转换效应与半导体CdS和rGO复合实现了特定波长在980nm的近红外光全分解水性能(W.Gao,Y.Q.Wu,G.X.Lu,Catal.Sci.Technol.2020,10,2389
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2397.)。与稀土元素上转换光催化体系相比，窄带隙半导体复合光催化体系不仅价格更为低廉，而且能够吸收更宽范围的近红外光，最近也更为受到关注。所以之后，2021年吕功煊教授等人首次利用窄带隙半导体磷化硼(BP)与C3N4复合实现了λ＝730nm近红外条件下的全分解水性能(B.Tian,Y.Q.Wu,G.X.Lu,Appl.Catal.B
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Environ.2021,280,119410.)。此外，2021年上海电力大学李和兴教授等人构建W2N窄带隙半导体与C和TiO2一起复合的光催化体系实现了波长大于700nm的近红外光
全分解水性能(S.Q.Gong,J.C.Fan,V.Cecen,C.P.Huang,Y.L.Min,Q.J.Xu,H.X.Li,Chem.Eng.J.2021,405,126913.)。2020年苏州大学康振辉教授等人将WO2半导体(带隙为0.6eV)与碳量子点和Na
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WO3复合，首次实现了波长大于760nm的近红外光全分解水性能(J.Zhao,C.A.Liu,H.B.Wang,Y.J.Fu,C.Zhu,H.Huang,F.Liao,Y.Liu,M.W.Shao,Z.H.Kang,Catal.Today 2020,340,152
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160.)。尽管上述工作已经极大地推动了该研究领域迅速发展，但在长波长(特别是800nm以上)近红外光响应全分解水光催化剂体系上仍存在活性低、稳定性差等问题。因此，开发800nm以上近红外光响应的高效稳定全分解水光催化剂体系仍然是一个巨大挑战。
[0004]对于半导体要实现波长大于800nm的全分解水性能是非常具有挑战性的工作，不仅需要理论带隙窄于1.55eV，而且导价带必须横跨水分解的氧化还原电位(1.23eV)，这几乎到达了半导体改性的极限。因此，需要寻找其他在近红外区具有光电响应的材料来替代这类窄带隙半导体。近年来，金属有机配合物光敏化剂在近红外区表现出独特的光物理和化学特征，因此在水分解领域颇具潜力(Y.J.Yuan,Z.T.Yu,D.Q.Chen,Z.G.Zou,Chem.Soc.Rev.2017,46,603
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631.)。比如：2015年中国科学院长春光学精密机械与物理研究所孔祥贵教授等人首次结合有机铂光敏化剂在过硫酸盐作牺牲剂的情况实现了λ＝980nm水分解产氧半反应(X.M.Liu,H.C.Chen,X.G.Kong,Y.L.Zhang,L.P.Tu,Y.L.Chang,F.Wu,T.T.Wang,J.N.H.Reek,A.M.Brouwer,H.Zhang,Chem.Commun.2015,51,13008
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13011.)。2014年，北京大学李兴国教授课题组利用有机锌配体与石墨相氮化碳结合构建的光催化体系，首次在乳酸作牺牲剂的条件下实现了在近红外光下(λ＝700nm)的水分解产氢性能(X.H.Zhang,L.J.Yu,C.S.Zhuang,T.Y.Peng,R.J.Li,X.G.Li,ACS Catal.2014,4,162.)。最近，我们课题组利用有机镍配体(植酸镍)与石墨相氮化碳结合构建的光催化体系，首次在甲醇作牺牲剂的条件下实现了波长大于900nm的光催化水分解产氢性能(Y.Y.Huang,Y.P.Jian,L.H.Li,D.Li,Z.Y.Fang,W.X.Dong,Y.H.Lu,B.F.Luo,R.J.Chen,Y.C.Yang,M.Chen,W.D.Shi,Angew.Chem.Int.Ed.2021,60,5245
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5249.)。受到之前这些工作的启发，利用金属有机配合物光敏化剂去实现近红外光下的全分解水性能理论上是可行的。然本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铂单原子/簇修饰的光敏化体系的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤1：尿素研磨均匀放入坩埚内，然后置于马弗炉中煅烧得到样品A；步骤2：量取植酸溶液，向植酸溶液中加入无水乙醇，得到植酸和乙醇的混合溶液B；步骤3：称取四水醋酸镍置于烧杯中，然后加入无水乙醇和样品A；接下来超声使得四水醋酸镍完全溶解，然后加入已配置好的植酸/乙醇的混合溶液B，搅拌、离心，乙醇洗涤，最后烘箱中烘干，得到样品C记为PA
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@PCN；步骤4：向样品C加入超纯水，然后超声待样品C分散均匀，接着加入氯铂酸溶液，并抽真空排除溶液中的空气，在λ>800nm的近红外光条件下光照沉积5h，得到的催化剂经离心、乙醇洗涤、干燥后得到的样品为铂单原子/簇修饰的光敏化体系。2.如权利要求1所述的一种铂单原子/簇修饰的光敏化体系的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述的尿素质量为10.0g，研磨时间为5min，坩埚容量为50.0mL，升温速率为2.3℃/min，煅烧温度为550℃，煅烧时间为3h。3...

【专利技术属性】
技术研发人员：施伟东，黄元勇，冯硕，贾玉璟，郭舒卉，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：