本发明专利技术涉及一种用于光催化分解水的方法，和一种用于进行所述方法的装置。本发明专利技术的方法包括：通过光照射用析氧光催化剂氧化水，致使在析氧光催化剂的导带中产生电子和在析氧光催化剂的价带中产生空穴；通过光照射用析氢光催化剂还原水，致使在析氢光催化剂的导带中产生电子和在析氢光催化剂的价带中产生空穴；其中，所述析氧光催化剂与导电隔离层的第一侧接触，并且所述析氢光催化剂与导电隔离层的第二侧接触，以及其中，来自光激发的析氧光催化剂的导带的电子，通过电荷转移穿过导电隔离层，与来自光激发的析氢光催化剂的价带的空穴再结合。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种用于光催化分解水的方法，以及一种用于进行所述方法的装置。
技术介绍
全球能源挑战是普遍的，转向可替代的可持续能源是不可避免的，尤其是阳光。显然的先决条件是能源应该可以用一天二十四小时。由于太阳能只可在白天获得，以适当的方式存储能量将是非常有利的。以氢的形式存储将是实现此目的非常有吸引力的方式。产氢的理想方法是使用水作为氢源与太阳能一起用于转化。因此，光催化分解水(这是光引发的水转化成氢和氧的反应)作为一种最有前景的产氢过程备受关注。使用光催化剂的高效的水分解，一直是研究人员的巨大挑战。此外，通过使用可再生的能源形式分解水可能是环境和能源问题的最终解决方案。然而，因为热力学增加(uphill)反应的困难，很长一段时间阻碍了用于水分解的高活性光催化剂的发展。此外，有效地利用太阳光谱的可见部分一直是个挑战。大多数单组分氧化物光催化剂需要被太阳光谱的紫外部分激活，该部分仅是总太阳光谱的小部分(约4%)。为了避免这个问题，已开发了以所谓的Z方案为基础的光催化系统，它使得能够使用太阳光谱的可见光部分。在附图说明图1中示意地显示了 Z方案。通过析氧光催化剂的可见光吸收进行Z方案，这致使氧气生成。光生电子在该析氧光催化剂的导带中的能级不够高，不能引发氢形成，并且需要与在析氢光催化剂的价带中的光生空穴再结合。在析氢光催化剂的导带中的光生电子引发氢生成。除此之外，Kudo和合作人开发了各种可见光响应的催化剂系统用于全部水分解，基于(I )z方案和(2)通过溶液中的Fe27Fe3+氧化还原对的电子转移，或通过在两个催化剂颗粒之间接触的自组装(Kudo等，Chem.Soc.Rev.2009, 38，253278)。显而易见，在这两种情况下，电子转移是不适宜的 ，然而光生电子从析氧光催化剂的导带至析氢光催化剂的价带的转移效率需要高至达到高的总水分解效率。此外，在专利文献已提出了用于分解水的光催化系统。W0-A-2008/102351描述了一种稍微相关的系统，适用于半导体-金属复合(hybrid)纳米组件。在W0-A-2008/102351中描述的专利技术中，光子被复合纳米组件的半导体区域吸收，这致使电荷分离。而一个电荷载体保持在该半导体区域，另一个转移到可发生氧化还原反应的复合纳米组件的金属/金属合金区域。然而，在这些复合纳米组件的分散中，将难以分离产生的氢和氧，并有可能再结合产生水。此外，该系统在可见光引发的水分解中将不是非常有效的。US-A-2007/0105013描述了一种用于分离电荷相反的电荷载体的系统，基板包括半导体；与该半导体电连接的配体；共价连接的桥接导电聚合物；连接至该桥接导电聚合物的离子交换树脂；离子交换膜；以及将所述树脂连接至所述膜的电缆。该系统不利用催化剂制品的可见光活化的电势，该催化剂制品利用Z方案原理。导电聚合物充当质子交换膜将析氢室与析氧室隔开，而不是电子/空穴的导体。此外，本文中，析氢不用单独的析氢光催化剂进行。为在光催化水分解中有效地利用可见光提供简单的设计仍然是一个挑战。本专利技术的一个目的是提供该挑战的解决方案。
技术实现思路
本专利技术人找到了一种优异的解决方案，通过导电隔离层隔开析氧光催化剂和析氢光催化剂。因此，第一方面，本专利技术涉及一种用于光催化分解水的方法，包括:-通过光照射用析氧光催化剂氧化水，致使在析氧光催化剂的导带中产生电子以及在析氧光催化剂的价带中产生空穴；-通过光照射用析氢光催化剂还原水，致使在析氢光催化剂的导带中产生电子以及在析氢光催化剂的价带中产生空穴；其中，所述析氧光催化剂与导电隔离层的第一侧接触并且所述析氢光催化剂与所述导电隔离层的第二侧接触，以及其中，在光激发的析氧光催化剂的导带中的电子，通过电荷转移穿过所述导电隔离层，与在光激发的析氢光催化剂的价带中的空穴再结合。本专利技术的方法使得电荷能够从光激发的析氧光催化剂的导带非常有效地转移至光激发的析氢光催化剂的价带，穿过相对薄的导电隔离层。由于该电荷转移非常有效，强烈抑制了在光激发的析氧光催化剂的导带中的电子与在光激发的析氧光催化剂的价带中的空穴的再结合。类似地，在光激发的析氢光催化剂的导带中的电子与在光激发的析氢光催化剂的价带中的空穴的再结合是非常有限的。这种再结合进一步被在析氧光催化剂处的析氧反应和在析氢光催化剂处的析氢反应抑制。用于激发光催化剂的光优选为可见光。析氧光催化剂和/或析氢光催化剂优选地为光催化活性纳米颗粒和/或纳米薄膜的形式。由于高的表面与体积比和到导电隔离层的短距离，这是有利的。现有技术中报道的可见光敏感的析氢光催化剂通常是基于掺有敏感金属的TiO2系统，或可替换的氧氮化物(例如，TaON)。已研究了许多这些颗粒。例如，在Kudo等，Chem.Soc.Rev.2009, 38，253278中公开了大量表格。可以用作析氧光催化剂的光催化活性纳米颗粒一般具有低于水的氧化电势的氧化电势。本专利技术的方法中的一些实例包括Pt/W03、Ru02/Ta0N,BiV04,Bi2MoO6和W03。可以用作析氢光催化剂的光催化活性纳米颗粒，一般具有高于水的还原电势的还原电势。用于本专利技术的方法的一些实例包括Pt/SrTi03:Cr，Ta、Pt/TaON、和Pt/SrTi03:Rh。更具体地,析氧光催化剂和析氢催化剂的以下组合物优选用于本专利技术的方法=WO3作为O2光催化剂与Pt/TaON作为H2光催化剂、BiVO4作为O2光催化剂与Pt/SrTiO3IRh作为H2光催化剂、Bi2MoO6作为O2光催化剂与Pt/SrTi03:Rh作为H2光催化剂、以及TO3作为O2光催化剂与Pt/SrTi03:Rh作为H2光催化剂。也可能应用不同类型的析氧光催化剂的混合物和/或不同类型的析氢 光催化剂的混合物，例如，以扩大可见光谱的可用范围。光催化剂纳米颗粒可以有各种形状，包括球形、立方体、椎体、和棱柱的形状。尤其是，具有一个或多个特定表面的纳米颗粒形状是有利的，由于可以与导电隔离层接触的潜在大的表面积。此外，已报道了电子和空穴倾向于在特定的晶体表面积累。剧烈的反应已证明金属颗粒在TiO2表面上优先沉积。发现Pt2+优先还原为Pt°并在金红石颗粒的表面{110}沉积(Ohno 等，New J.Chem.2002，26，1167-1170)。虽然在本专利技术的方法中，优选使用的光催化剂为纳米颗粒的形式，本专利技术并不限于此。可以设想其它实施方式，其中光催化剂材料的层(优选不连续的，纳米结构层)应用在导电隔离层上。本专利技术还包括这种层和纳米颗粒的组合物。光催化剂可以适当地从溶液或悬浮液中沉积，或通过其它沉积技术，包括，脉冲激光沉积、物理气相沉积和原子层沉积。当光催化剂为纳米颗粒的形式时，则优选地从溶液或分散体中应用该光催化剂。用于导电隔离层的任一侧上的光催化剂的量可以不同，例如，取决于光催化剂的类型和导电隔离层的厚度。优选地，光催化剂以在隔离层的一侧或两侧上提供完全覆盖的量应用于导电隔离层上。过覆盖(over coverage)(即超过完全覆盖)可以导致电荷转移至导电隔离层不是最优的情况(例如，在光催化剂纳米颗粒过覆盖的情况下)。根据本专利技术的析氧光催化剂和析氢光催化剂优选地被导电隔离层隔开，即析氧光催化剂优选存在于导电隔离层的第一侧(因此定义为析本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.07.16 EP 10169861.11.一种用于光催化分解水的方法，包括: -通过光照射用析氧光催化剂氧化水，致使在所述析氧光催化剂的导带中产生电子和在所述析氧光催化剂的价带中产生空穴； -通过光照射用析氢光催化剂还原水，致使在所述析氢光催化剂的导带中产生电子和在所述析氢光催化剂的价带中产生空穴； 其中，所述析氧光催化剂与导电隔离层的第一侧接触，并且所述析氢光催化剂与所述导电隔离层的第二侧接触，以及 其中，来自所述光激发的析氧光催化剂的所述导带的所述电子，通过电荷转移穿过所述导电隔离层，与来自所述光激发的析氢光催化剂的所述价带的所述空穴再结合。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述导电隔离层由一种或多种穿孔载体机械支持，如穿孔硅载体，其中优选地所述穿孔具有由SEM测量的在10-500 μ m范围内，优选在50-200 μ m的范围内的平均直径。3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述析氧光催化剂和/或所述析氢光催化剂为光催化活性纳米颗粒形式，优选具有球形、立方体、椎体、或棱柱的形状。4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中所述导电隔离层不利于质子转移，优选所述导电隔离层是金属层。5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其中所述导电隔离层的一个或两个表面是纳米结构的以提高表面积，优选所述导电隔离层的表面包括纳米尺寸的柱或凹坑。6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其中所述析氧光催化剂是价带电势低于水的氧化电势的材料， 如选自由以下各项组成的组中的材料:Pt/CdS、WO3> BiVO4, Bi2MoO6,Bi2WO6, AgNbO3' Ag3VO4' TiO2: Cr, Sb、TiO2:Ni, Nb，和 In2O3 (ZnO) 3。7.根据权利要求1-6中任一项所述的方法，其中所述析氢光催化剂是导带电势高于水的还原电势的材料，如选自由以下各项组成的组中的材料:Pt/In203(ZnO)3、Pt/SrTiO3: Cr, Sb、Pt/SrTi03:Cr, Sb、Pt/SrTi03:Cr, Ta、Pt/SrTi03: Rh、Pt/SnNb206、Pt/NaInS2、Pt/AgInZn7S9、Ru/Cu...
【专利技术属性】
技术研发人员：吉多·米尔，威尔弗雷德·格拉尔德·范德尔维尔，马希尔·彼得·德容，
申请(专利权)人：特温特大学，
类型：
国别省市：
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