CN103084197B - Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80/Pt-TiO2光催化剂及其在光催化分解水制氢中的应用 - Google Patents

Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80/Pt-TiO2光催化剂及其在光催化分解水制氢中的应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80/Pt-TiO2光催化剂及其在光催化分解水制氢中的应用。Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80/Pt-TiO2光催化剂中Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80与TiO2的质量比为1:9~5:5，Pt负载量占光催化剂的质量为0.06%~0.1%。制备方法为a.将Er2O3、Y2O3和Yb2O3溶于浓硝酸中，然后加入Al(NO3)3·9H2O、柠檬酸、尿素和HF的水溶液，经加热搅拌、干燥、研磨、煅烧得到Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80纳米粉末；b.将Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80与TiO2混合并研磨后加入到蒸馏水中，经超声、煮沸、干燥、研磨、煅烧得到Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80/TiO2粉末；c.将Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80/TiO2粉末与氯铂酸溶液混合，加入蒸馏水，经超声、煮沸、干燥、研磨、煅烧得到Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80/Pt-TiO2光催化剂。上述的光催化剂用于光催化分解水制氢。本发明的光催化剂性质稳定，与传统的Pt-TiO2相比，本发明的催化剂在可见光照射下分解水制氢的效率大幅度提高，为大规模太阳能光催化分解水制氢提供一种可能。

Description

Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80/Pt-TiO2光催化剂及其在光催化分解水制氢中的应用
技术领域
本发明属于光催化分解水制氢领域，具体地涉及一种具有可见光高光催化活性的上转换发光材料Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80与纳米二氧化钛复合同时负载金属铂的光催化剂，及其制备和在光催化分解水制氢中的应用。
背景技术
随着人口和经济的迅速增长，未来几十年内，世界能源的消费将会成倍增长，这必然会进一步加快化石燃料的枯竭，因此替代能源的研究越来越受到重视。氢能是一种理想的能源载体，能量密度是普通汽油的三倍，燃烧产物是水，对环境无污染。随着以燃料电池为代表的各种氢能利用技术的迅猛发展，未来人类对氢的需求量将大幅度上升。由此未来人类将迈入“氢经济”时代。但是各种制氢过程都需要消耗能量，水、生物质、天然气和煤等均可作为制氢原料。其中以水和生物质为原料，利用太阳能制氢是可持续发展的制氢途径。把太阳能转化为氢能，也为太阳能利用提供了一种理想的途径。
太阳能的利用是人类梦寐以求的事情。太阳能是各种可再生能源中最重要的基本能源，也是人类可利用的最丰富的能源。太阳每年投射到地面上的辐射能高达 1.05 × 1018 千瓦时（3.78 × 1024 J），相当于1.3 × 106 亿吨标准煤。按目前太阳的质量消耗速率计，可维持 6 × 1010 年。可以说它是“取之不尽，用之不竭”的能源。我国大部分地区位于北纬45°以南，全国 2/3 的国土面积年日照时间在 2200 h以上，每平方米太阳能年辐射总量为 3340 ~ 8400 兆焦，陆地表面每年接收到的太阳辐射能相当于17000 亿吨标准煤，太阳能资源非常丰富。如何将太阳能转换成方便利用的能源形式是有效利用太阳能的关键。太阳能的利用主要有三个方面：一是利用热能发电；二是太阳能电池；三是太阳能的化学转化，将太阳能转化为氢能。氢能是一种理想的能源，具有能量密度高、可储存、可运输、无污染等优点。所以，把太阳能转化为氢能，也为太阳能利用中各种困难问题的解决提供了理想的途径。利用太阳能制氢的可能途径包括太阳能生物制氢，光生物质制氢和光催化分解水制氢等，其中光催化分解水制氢最有可能实现规模制氢。
众所周知，水不会在太阳光正常照射时发生分解，产生氢气和氧气，因此我们需要寻找一种合适的光催化剂。可是满足光催化制氢所有要求（化学稳定性、耐腐蚀、捕获可见光和合适的带边）的理想的光催化剂并不多，其中TiO2以其耐腐蚀性、无毒性和价格低廉的特点成为最有吸引力的光催化剂，但对于TiO2作为光催化剂本身也有其不可克服的缺点和不足。由于它们宽的禁带宽度（Eg ＝ 3.20 eV），因此只能吸收紫外光（l ＝ 387 nm）而被激发。遗憾的是在太阳光中，紫外光的成分相当低，只占4.0 ~ 5.0 %左右，而占大部分的红外光（45 ％）和可见光（50 ％）则不能被利用，导致太阳能的利用率极低，从而不能得到较高的光利用率。因此，发明一种具有可见光高光催化活性的光催化剂变得尤为重要。
发明内容
为了解决纳米TiO2作为光催化分解水制氢的首选催化剂光催化效率不高，且必须采用波长小于387 nm的紫外光照射的问题，本发明的目的之一是提供一种将上转换紫外发光材料Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80与纳米二氧化钛TiO2复合同时负载贵金属Pt，可大幅度提高光催化分解水制氢的效率的Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80/Pt-TiO2光催化剂。
本发明目的之二是提供Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80/Pt-TiO2光催化剂的制备方法。
本发明的目的之三是提供Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80/Pt-TiO2光催化剂在光催化分解水制氢中的应用。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是： Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80/Pt-TiO2光催化剂， Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80 与TiO2的质量比为1:9 ~ 5:5，Pt负载量占Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80/Pt-TiO2光催化剂质量的0.06%~0.1%。
Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80/Pt-TiO2光催化剂的制备方法如下：将Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80/TiO2纳米粉末与氯铂酸的异丙醇溶液混合，加入适量的蒸馏水，在室温下经超声分散30 ~ 60 min，加热煮沸30 ~ 60 min，干燥蒸干溶剂后将所得的固体混合物研磨，随后在180 oC煅烧2.0 h，得到Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80/Pt-TiO2纳米粉末，Pt负载量占Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80/Pt-TiO2质量的0.06%~0.1%。
上述的Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80/Pt-TiO2光催化剂的制备，所述的Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80/TiO2纳米粉末的制备方法为：将Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80纳米粉末与纳米TiO2按1:9 ~ 5:5质量比混合，将所得的混合物加入到蒸馏水中，在室温下经超声分散30 ~ 60 min，加热煮沸30-60 min，干燥蒸干溶剂后将所得的固体混合物研磨，最后在350 ~ 650oC煅烧2.0 h，得到Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80/TiO2纳米粉末。
上述的Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80/Pt-TiO2光催化剂的制备，所述的Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80纳米粉末的制备方法为：按化学分子式Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80中各元素配比取料，将Er2O3、Y2O3和Yb2O3粉末溶解在浓硝酸中并搅拌，然后向稀土离子溶液中加入尿素、Al(NO3)3·9H2O、柠檬酸和氢氟酸水溶液，在50~ 60 °C加热搅拌至溶液呈发泡黏胶状，将粘稠状溶液在80 °C加热36 h直到蒸干溶剂，最终得到泡沫溶胶，得到的溶胶在500°C加热30~60min，然后在1100°C煅烧2.0 h得到Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80纳米粉末。
Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80/Pt-TiO2光催化剂用于光催化分解水制氢。
上述的Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80/Pt-TiO2光催化剂用于光催化分解水制氢，方法如下：将Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80/Pt-TiO2纳米粉末加入到5 ~ 15 %的甲醇水溶液中，在可见光下照射。
Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80/Pt-TiO2光催化剂在可见光照射下分解水制氢的过程分析：众所周知，当可见光直接照射TiO2时，不能激发TiO2粒子产生电子-空穴对，而当可见光照射到Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80后，由于Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80在可见光（低能量的光）照射下基态光子能够被逐级激发到更高的能级，然后这些光子再跃迁回基态后发射出紫外光（高能量的光），这些紫外光能有效地激发Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80周围的TiO2粒子，经过激发的TiO2价带（VB-band）上的电子可以传递到导带（CB-band）上，从而形成具有高能量的电子-空穴对，这些载流子易复合湮灭而释放光或热，没有湮灭的光生电子和空穴使 TiO2表现出光催化性能。光催化分解水制氢的机理在于吸附在催化剂表面的H+被迁移到催化剂表面的光生电子还原生成H2，同时吸附在催化剂表面的OH-被迁移到催化剂表面的光生空穴氧化生成O2，其本质是一个氧化还原过程。因此，光催化分解水制氢的产物为H2和O2。为了提高光催化分解水制氢的效率和纯度，我们加入了贵金属Pt和电子牺牲剂甲醇，其中加入贵金属Pt的目的是增加TiO2表面的产氢活性点，抑制光生电子-空穴的复合；而加入电子牺牲剂甲醇的目的在于消耗TiO2产生的空穴，使反应向有利于生成氢气的方向进行。为了最大限度的给TiO2提供紫外光，使其光催化效率得到大幅度的提高，我们便利用宽波段光谱吸收上转换紫外发光材料Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80，最大限度地把太阳光中的红外光和可见光转变成紫外光的原理来制备具有更高光催化分解水制氢性能的Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80/Pt-TiO2光催化剂。
本发明的有益效果：
本发明制备的Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80/Pt-TiO2纳米光催化剂性质稳定，与单纯的Pt-TiO2相比，此催化剂在太阳光的照射下分解水制氢的效率有了大幅度提高。相比于传统的Pt-TiO2光催化剂，本发明中Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80/Pt-TiO2纳米光催化剂不仅具有传统光催化剂吸收紫外光产生氢气的优点，而且其最值得关注的是由于有上转换发光材料Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80的加入，使Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80/Pt-TiO2纳米光催化剂不仅可以吸收紫外光，还可以将吸收的红外光和可见光转化为紫外光，大幅度的提高了TiO2光催化分解水制氢的效率。
附图说明：
图1. Er3+:Y3Al5O12/Pt-TiO2与Er3+:Yb0.20Y2.80Al5O11.80N0.10F0.10/Pt-TiO2扫描电镜（SEM）照片。
（Er3+:Yb0.20Y2.80Al5O11.80N0.10F0.10/TiO2（a）；Er3+:Yb0.20Y2.80Al5O11.80N0.10F0.10/Pt-TiO2（b）。）
图2. TiO2与Er3+:Y3Al5O12/TiO2光催化分解水制氢效率。
（TiO2（●）；Er3+:Y3Al5O12/TiO2（■）。）
图3. 不同掺杂元素（Yb，N和F）对Er3+:Y3Al5O12/TiO2光催化分解水制氢效率的影响。
（Er3+:Yb0.20Y2.80Al5O11.80N0.10F0.10/TiO2（◆）；Er3+:Yb0.20Y2.80Al5O11.90N0.10/TiO2（▼）；Er3+:Yb0.20Y2.80Al5O11.90F0.10/TiO2（▲）；Er3+:Y3Al5O12/TiO2（■）。）
图4. Pt-TiO2，Er3+:Y3Al5O12/Pt-TiO2和Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80/Pt-TiO2光催化分解水制氢效果。
（Er3+:Yb0.20Y2.80Al5O11.80N0.10F0.10/Pt-TiO2（◆）；Er3+:Y3Al5O12/Pt-TiO2（■），Pt-TiO2（●）。）
图5. 不同Pt负载量对Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80/Pt-TiO2光催化分解水制氢效率的影响。
图6. 不同质量比对Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80/Pt-TiO2光催化分解水制氢效率的影响。
图7. 不同煅烧温度对Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80/Pt-TiO2光催化分解水制氢效率的影响。
图8. 不同甲醇浓度对Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80/Pt-TiO2光催化分解水制氢效率的影响。
图9. 不同光照强度对Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80/Pt-TiO2光催化分解水制氢效率的影响。
图10. 不同时间段照射对Pt-TiO2和Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80/Pt-TiO2光催化分解水制氢效率的影响。
（累积产氢量（■）；阶段产氢量（□）。）
具体实施方式：
实施例1：Er 3+ :Yb 0.20 Y 2.80 Al 5 N 0.10 F 0.10 O 11.80 /Pt-TiO 2 光催化剂的制备
（1）上转换紫外发光材料Er 3+ :Yb 0.20 Y 2.80 Al 5 N 0.10 F 0.10 O 11.80 纳米粉末的制备
取0.0124 g Er2O3粉末、2.0616 g Y2O3粉末和0.2579 g Yb2O3粉末加入到50 mL浓硝酸中，磁力加热搅拌直至无色透明，称取0.0197 g尿素（CO(NH2)2）、12.2756 g Al(NO3)3·9H2O和33.072 g柠檬酸（C6H8O7·H2O），用200 mL蒸馏水溶解，在室温下用玻璃棒搅拌并慢慢加入到稀土离子溶液中，然后往上述溶液中滴加0.037 mL 40 %的HF溶液，最后升温至50 °C，磁力搅拌反应2.0 h，将反应后溶液放入烘箱，恒温80 °C加热36 h，得到溶胶，将得到的溶胶在马弗炉中500 °C加热50 min，然后升温至1100 °C煅烧120 min，最后，从马弗炉中取出烧结的物质，在空气中冷却至室温，研磨得到Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80纳米粉末。
（2）Er 3+ :Yb 0.20 Y 2.80 Al 5 N 0.10 F 0.10 O 11.80 /TiO 2 的制备
将2.0056 g的Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80纳米粉末与4.6797 g TiO2纳米粉末机械混合并充分研磨，然后将所得的混合物加入到蒸馏水中并在室温下超声分散30 min，随后加热煮沸30 min，待溶液冷却至室温后在120 °C干燥4.0 h至溶剂全部蒸干为止，将所得的固体混合物充分研磨，随后在550 °C煅烧2.0 h。最后，从高温炉中取出烧结的物质并且在空气中冷却至室温，得到Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80与TiO2质量比为3:7的Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80/TiO2纳米粉末。
由扫描电镜照片图1（a）可以看出，在TiO2纳米粒子的表面有颜色较浅的颗粒物，说明Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80粒子附着在TiO2纳米粒子的表面。
按照上述的Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80/TiO2的制备方法，改变煅烧温度，分别在350℃、450℃、550℃和650℃下煅烧2h，分别得到Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80与TiO2质量比为3:7的煅烧温度为350℃、450℃、550℃和650℃的Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80/TiO2纳米粉末。
按照上述的Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80/TiO2的制备方法，改变Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80 与TiO2质量比，分别制备Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80 与TiO2质量比为1:9、2:8、3:7、4:6、5:5 ，煅烧温度为550℃的Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80/TiO2的纳米粉末。
（3）Er 3+ :Yb 0.20 Y 2.80 Al 5 N 0.10 F 0.10 O 11.80 /Pt-TiO 2 的制备
称取1.0013 g的Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80/TiO2纳米粉末，其中Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80与TiO2质量比为3:7，与16.16 mL氯铂酸的异丙醇溶液（3.0757 × 10-4 mol/L）混合，加入13.84 mL的蒸馏水，在室温下超声分散30 min，随后加热煮沸30 min，待溶液冷却至室温后在120 °C干燥4.0 h至溶剂全部蒸干为止，将所得的固体混合物充分研磨，随后在180 °C煅烧2.0 h。最后，从高温炉中取出烧结的物质并且在空气中冷却至室温得到Pt负载量为0.100 %的Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80/Pt-TiO2纳米粉末。
由扫描电镜照片图1（b）可以看出，在TiO2纳米粒子的表面除了有颜色较浅的颗粒物外，还有颜色较深的更小的颗粒物存在，说明Pt粒子也附着在TiO2纳米粒子的表面。
按照上述的Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80/Pt-TiO2的制备方法，取Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80与TiO2质量比为3:7的纳米粉末，分别制备Pt负载量为0.060 %、0.080 %和0.100 %的Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80/Pt-TiO2光催化剂。
实施例2：不同光催化剂的光催化分解水制氢性能对比
（1）TiO 2 与Er 3+ :Y 3 Al 5 O 12 /TiO 2 光催化分解水制氢效率的对比
实验条件：分别取煅烧温度同为550 °C的0.5000 g的TiO2纳米粉末和0.5000 g的Er3+:Y3Al5O12/TiO2纳米粉末（Er3+:Y3Al5O12与TiO2质量比为3:7）。将TiO2和Er3+:Y3Al5O12/TiO2光催化剂分别加入到500 mL含甲醇质量比10%的水溶液中，在温度15 °C和压力103650 Pa下，用4个105 W的三基色（红，黄，绿）灯模拟太阳光进行光照，光照强度为400 μmol·m-2·s-1，光照时间0.0 ~ 10.0 h，收集所产生的气体，测量其体积并采用气相色谱法分析气体的成分。
实验结果如图2所示，随着光照时间的延长，TiO2与Er3+:Y3Al5O12/TiO2光催化分解水制得H2的量也随之增加，但Er3+:Y3Al5O12/TiO2产生H2的量明显多于TiO2产生H2的量，其光催化分解水制氢的平均效率比TiO2高30 %。由此可见，加入上转换发光材料Er3+:Y3Al5O12可以大幅度的提高光催化分解水制氢的效率。
（2）不同掺杂元素（Yb、N和F）对Er 3+ :Y 3 Al 5 O 12 / TiO 2 催化剂光催化分解水制氢效率的影响
实验条件：分别取0.5000 g Er3+:Yb0.20Y2.80Al5O11.80N0.10F0.10/TiO2、0.5000 g Er3+:Yb0.20Y2.80Al5O11.90N0.10/TiO2、0.5000 g Er3+:Yb0.20Y2.80Al5O11.90F0.10/TiO2和   0.5000 g Er3+:Y3Al5O12/TiO2催化剂，其中，上述4种催化剂的煅烧温度都为550℃、上转换发光材料与TiO2质量都比为3:7，并且4种催化剂的制备方法相同。将上述4种催化剂分别加入到500 mL10 %的甲醇水溶液中，在温度15 °C和压力103650 Pa下，用4个105 W的三基色（红，黄，绿）灯模拟太阳光进行光照，光照强度为400 μmol·m-2·s-1，光照时间0.0 ~ 10.0 h，收集所产生的气体，测量其体积并采用气相色谱法分析气体的成分。
实验结果如图3所示，随着光照时间的延长，Yb、N和F元素掺杂的Er3+:Y3Al5O12/TiO2光催化分解水制得H2的量也随之增加，其中同时掺杂Yb、N和F元素的Er3+:Y3Al5O12/TiO2产生H2的量最多。说明掺杂金属元素Yb和非金属元素N和F可以改变Er3+:Y3Al5O12/TiO2的光催化性质，使其光催化分解水制氢的活性得到进一步的提高。
（3）Pt-TiO 2 、Er 3+ :Y 3 Al 5 O 12 /Pt-TiO 2 和Er 3+ :Yb 0.20 Y 2.80 Al 5 N 0.10 F 0.10 O 11.80 /Pt-TiO 2 三种催化剂的光催化分解水制氢效率对比
实验条件：分别取0.5000 g Pt-TiO2纳米粉末、0.5000 g Er3+:Y3Al5O12/Pt-TiO2纳米粉末、0.5000 g Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80/Pt-TiO2纳米粉末，其中上述3种催化剂的煅烧温度都为550 °C，上转换发光材料与TiO2质量比都为3:7，Pt的负载量都为0.100 %，并且3种催化剂的制备方法相同。将3种催化剂分别加入到500 mL的10 %甲醇水溶液中，在温度15 °C和压力103650 Pa下，用4个105 W的三基色（红，黄，绿）灯模拟太阳光进行光照，光照强度为400 μmol·m-2·s-1，光照时间0.0 ~ 10.0 h，收集所产生的气体，测量其体积并采用气相色谱法分析气体的成分。
实验结果如图4所示，与实施例2中的（1）和（2）比较，随着光照时间的延长，三种催化剂光催化分解水制得H2的量急剧增加。其中采用Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80/Pt-TiO2产氢增加的幅度最大，其次是Er3+:Y3Al5O12/Pt-TiO2，而Pt-TiO2的增幅最小。进一步说明掺杂金属元素Yb和非金属元素N和F的Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80可以明显的增加Pt-TiO2光催化剂的产氢活性，对Er3+:Yb0.2Y2.79Al5N0.1F0.1O11.80/TiO2光催化分解水制氢的贡献最大。
实施例3：不同质量比和煅烧温度的Er 3+ :Yb 0.20 Y 2.80 Al 5 N 0.10 F 0.10 O 11.80 /Pt-TiO 2 光催化剂的光催化分解水制氢效率考察
（1）不同Pt负载量的Er 3+ :Yb 0.20 Y 2.80 Al 5 N 0.10 F 0.10 O 11.80 /Pt-TiO 2 光催化分解水制氢效率的影响
实验条件：分别取0.5000 g 0.060 %、0.080 %和0.100 %的Pt负载量的Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80/Pt-TiO2纳米粉末，其中催化剂的煅烧温度都为550 °C，Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80与TiO2质量比都为3:7，分别加入到500 mL10 %的甲醇水溶液中，在温度15 °C和压力103650 Pa下，用4个105 W的三基色（红，黄，绿）灯模拟太阳光进行光照，光照强度为400 μmol·m-2·s-1，光照时间8.0 h。
实验结果如图5所示，随着Pt负载量的增加，光催化分解水制得H2的量也随之增加，当铂负载量为0.100 %时，产生H2的量最多。
（2）不同Er 3+ :Yb 0.20 Y 2.80 Al 5 N 0.10 F 0.10 O 11.80 与TiO 2 质量比对Er 3+ :Yb 0.20 Y 2.80 Al 5 N 0.10 F 0.10 O 11.80 /Pt-TiO 2 催化剂光催化分解水制氢效率的影响
实验条件：分别取0.5000 gEr3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80与TiO2质量比为1:9、2:8、3:7、4:6、5:5的Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80/Pt-TiO2纳米粉末，其中催化剂的煅烧温度都为550℃，Pt的负载量都为0.100 %，将不同质量比的催化剂分别加入到500 mL 10%的甲醇水溶液中，在温度15 °C和压力103650 Pa下，用4个105 W的三基色（红，黄，绿）灯模拟太阳光进行光照，光照强度为400 μmol·m-2·s-1，光照时间8.0 h。
实验结果如图6所示，随着纳米光催化剂中Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80含量的不断增加，光催化分解水制得H2的量先增加后减少，当Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80与TiO2的质量比为3:7时，产生H2的量最多。
（3）不同煅烧温度对Er 3+ :Yb 0.20 Y 2.80 Al 5 N 0.10 F 0.10 O 11.80 /Pt-TiO 2 光催化分解水制氢效率的影响
实验条件：分别取0.5000 g煅烧温度为350 °C、450 °C、550 °C和650 °C的Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80/Pt-TiO2催化剂，其中催化剂中Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80 与TiO2质量比都为3:7，Pt的负载量都为0.100 %，将不同煅烧温度的催化剂分别加入到500 mL10 %的甲醇水溶液中，在温度15 °C和压力103650 Pa下，用4个105 W的三基色（红，黄，绿）灯模拟太阳光进行光照，光照强度为400 μmol·m-2·s-1，光照时间8.0 h。
实验结果如图7所示，随着煅烧温度的不断升高，光催化分解水制得H2的量先增加后减少，当煅烧温度达到550 °C时，产生H2的量最多。
实施例4：Er 3+ :Yb 0.20 Y 2.80 Al 5 N 0.10 F 0.10 O 11.80 /Pt-TiO 2 光催化剂在光催化分解水制氢中的应用
（1）不同甲醇浓度对Er 3+ :Yb 0.20 Y 2.80 Al 5 N 0.10 F 0.10 O 11.80 /Pt-TiO 2 光催化分解水制氢效率的影响
实验条件：分别称取3份0.5000 g Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80/Pt-TiO2催化剂，其中催化剂的煅烧温度为550 °C，Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80与TiO2质量比为3:7，Pt的负载量为0.010 %。将上述催化剂分别加入到500 mL浓度为5 %、10 %、15 %的甲醇水溶液，在温度15 °C和压力103650 Pa下，用4个105 W的三基色（红，黄，绿）灯模拟太阳光进行光照，光照强度为400 μmol·m-2·s-1，光照时间8.0 h。
实验结果如图8所示，随着甲醇浓度的不断提高，光催化分解水制得H2的量也增加，当甲醇浓度达到10 %时，产生H2的量达到最多，进一步提高甲醇浓度，光催化分解水制得H2的量略有下降。
（2）不同光照强度对Er 3+ :Yb 0.20 Y 2.80 Al 5 N 0.10 F 0.10 O 11.80 /Pt-TiO 2 光催化分解水制氢效率的影响
实验条件：分别称取3份0.5000 g Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80/Pt-TiO2催化剂，其中催化剂的煅烧温度为550 °C，Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80与TiO2质量比为3:7，Pt的负载量为0.010 %。将上述催化剂分别加入到3份500 mL10 %的甲醇水溶液中，在温度15 °C和压力103650 Pa下，分别用2个、3个和4个105 W的的三基色（红，黄，绿）灯模拟太阳光进行光照，光照强度分别为200 μmol·m-2·s-1、300 μmol·m-2·s-1和400 μmol·m-2·s-1，光照时间8.0 h。
实验结果如图9所示，随着光照强度的不断增强，光催化分解水制得H2的量不断增加，当光照强度达到400 μmol·m-2·s-1时，产生H2的量最多，由此说明，光照强度越强，给光催化剂提供的能量就越多，光催化分解水制氢的活性就越高。
（3）不同光照时间段对Er 3+ :Yb 0.20 Y 2.80 Al 5 N 0.10 F 0.10 O 11.80 /Pt-TiO 2 光催化分解水制氢效率的影响
   实验条件：分别称取3份0.5000 g Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80/Pt-TiO2催化剂，其中催化剂的煅烧温度为550 °C，Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80与TiO2质量比为3:7，Pt的负载量为0.010 %。将称取的催化剂分别加入到500 mL10 %的甲醇水溶液中，在温度15 °C和压力103650 Pa下，用4个105 W的三基色（红，黄，绿）灯模拟太阳光进行光照，光照强度为400 μmol·m-2·s-1，光照时间为40 h，不同光照时间段分别为0 ~ 10 h、10 ~ 20 h、20 ~ 30 h和30 ~ 40 h。
实验结果如图10所示，分别为累积产氢量和阶段产氢量。结果表明随光照时间延长，Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80/Pt-TiO2光催化分解水制得H2的量越来越多，但是，单位时间（每10 h）内H2增量先增加后减少，当光照时间从20 h 增加到30 h时的10 h内，H2的增量最大，从30 h增加到40 h时的10 h内，H2的产量略有减小。总之，在40 h照射时间内， Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80/Pt-TiO2催化剂一直表现出很强的光催化分解水制氢能力。

Claims (5)

1.Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80/Pt-TiO2光催化剂，其特征在于：Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80与TiO2的质量比为1:9 ~ 5:5，Pt负载量占Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80/Pt-TiO2光催化剂质量的0.06%~0.1%；其制备方法如下：将Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80/TiO2纳米粉末与氯铂酸的异丙醇溶液混合，加入适量的蒸馏水，在室温下经超声分散30 ~ 60 min，加热煮沸30 ~ 60 min，干燥蒸干溶剂后将所得的固体混合物研磨，随后在180 oC煅烧2.0 h，得到Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80/Pt-TiO2纳米粉末。
2.如权利要求1所述的Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80/Pt-TiO2光催化剂，其特征在于：所述的Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80/TiO2纳米粉末的制备方法为：将Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80纳米粉末与纳米TiO2按1:9 ~ 5:5质量比混合，将所得的混合物加入到蒸馏水中，在室温下经超声分散30 ~ 60 min，加热煮沸30-60 min，干燥蒸干溶剂后将所得的固体混合物研磨，最后在350 ~ 650oC煅烧2.0 h，得到Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80/TiO2纳米粉末。
3.如权利要求1或2所述的Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80/Pt-TiO2光催化剂，其特征在于：所述的Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80纳米粉末的制备方法为：按化学分子式Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80中各元素配比取料，将Er2O3、Y2O3和Yb2O3粉末溶解在浓硝酸中并搅拌，然后向稀土离子溶液中加入尿素、Al(NO3)3·9H2O、柠檬酸和氢氟酸水溶液，在50~ 60 °C加热搅拌至溶液呈发泡黏胶状，将粘稠状溶液在80 °C加热36 h直到蒸干溶剂，最终得到泡沫溶胶，得到的溶胶在500°C加热30~60min，然后在1100°C煅烧2.0 h得到Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80纳米粉末。
4.权利要求1所述的Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80/Pt-TiO2光催化剂用于光催化分解水制氢。
5.如权利要求4所述的Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80/Pt-TiO2光催化剂用于光催化分解水制氢，其特征在于方法如下：将Er3+:Yb0.20Y2.80Al5N0.10F0.10O11.80/Pt-TiO2纳米粉末加入到5 ~ 15 %的甲醇水溶液中，在可见光下照射。
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