CN105813730A - 使用包含金属氧化物和石墨烯纳米颗粒的光催化剂由水制氢 - Google Patents

使用包含金属氧化物和石墨烯纳米颗粒的光催化剂由水制氢 Download PDF

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Abstract

公开了光催化剂以及使用光催化剂的方法，所述光催化剂包括附着于选自SrTiO3或CeO2的光活性金属氧化物半导体的表面的石墨烯纳米结构体，其中所述光活性金属氧化物半导体是微结构体或更大的结构体。

Description

使用包含金属氧化物和石墨烯纳米颗粒的光催化剂由水制氢
相关申请的交叉引用
本申请要求于2013年12月4日提交的第61/911,805号美国临时申请的权益。所引用的专利申请的内容通过引用并入本申请。
发明背景
发明领域
本发明通常涉及可以用于在光催化反应中由水制氢的光催化剂。所述光催化剂包含作为光活性材料的SrTiO3或CeO2以及作为导电材料的石墨烯(例如，石墨烯氧化物或还原的石墨烯氧化物)。
发明背景
由水制氢为能源领域、环境和化学工业提供了巨大的潜在益处(参见，例如，Kodama等，ChemRev.2007,107:4048；Connelly等，GreenChemistry.2012,14:260；Fujishima等，Nature,1972,238,1972；Kudo等，ChemSocRev38:253,2009；Nadeem等，Nanotechnology2012,9:121；以及Maeda等，Nature,2006,440:295)。虽然，目前存在由水制氢的方法，但是这些方法中的许多方法是昂贵的、低效的或不稳定的。例如，光电化学(PEC)水分解要求用于水的电解的外加偏压或电压和昂贵的电极(例如，基于Pt的)。
关于水由光源的光催化电解，虽然在这一领域已经取得了许多进展(参见，例如，Connelly等，GreenChemistry.2012,14:260；Fujishima等，Nature,1972,238,1972；Kudo等，ChemSocRev38:253,2009；Nadeem等，Nanotechnology2012,9:121；以及Maeda等，Nature,2006,440:295)，但是大多数材料或者在实际的水分解条件下不稳定或者要求相当量的其他组分(例如，大量的牺牲空穴或电子清除剂)用于工作，从而抵消了任何获得的益处。例如，半导体光催化剂是在接收等于或高于其电子带隙的能量时能够被激发的材料。在光激发时，电子从价带(VB)转移至导带(CB)，导致电子(在CB中)和空穴(在VB中)的形成。在水分解的情况下，CB中的电子将氢离子还原成H2并且VB中的空穴将氧离子氧化成O2。大多数光催化剂的主要局限性之一是快速的电子-空穴复合，这种过程发生在纳秒量级，而氧化-还原反应慢得多(微秒时间量级)。超过90％的光激发的电子-空穴对通过辐射衰变机制和非辐射衰变机制在反应前消失(参见，例如，Yamada等，ApplPhysLett.,2009,95:121112-121112-3)。目前的光催化剂，例如利用分散在光活性材料的表面上的贵金属的那些光催化剂就受困于这些低效因素。
发明概述
已经发现了关于目前的水分解光催化剂的上述低效因素的解决方法。具体地，解决方法在于使用石墨烯纳米结构体作为导电材料，并且使用SrTiO3或CeO2微结构体或更大结构体作为光活性材料。在一个具体的方面，通过在石墨烯的存在下光活性材料的水溶液的沉淀获得石墨烯与光活性材料的相对强的附着。不希望受理论的束缚，据信石墨烯纳米结构体与SrTiO3或CeO2微结构体或更大的结构体的特定组合降低了受激电子自发返回其非激发态的可能性(即，可以降低或抑制电子-空穴复合率)。这提供了受激电子在水分解应用中的更有效的利用。此外，这种提高的效率允许了减少对于额外的材料诸如牺牲剂以及导电贵金属的依赖，因此减少了与光催化的水-分解系统相关的复杂性和成本。
在本发明的一个方面，公开了光催化剂，其包含附着至选自SrTiO3或CeO2的光活性金属氧化物半导体的表面的石墨烯(例如，石墨烯氧化物或还原的石墨烯氧化物或其组合)纳米结构体或其组合，其中所述光活性金属氧化物半导体是微结构体或更大的结构体。导电材料“附着”至光活性金属氧化物半导体的表面包括其中将导电材料化学或物理结合至表面的实施方案，以及其中将导电材料分散或分布在光活性金属氧化物的表面上的实施方案。在优选的实施方案中，通过光活性金属氧化物半导体从包含石墨烯的水溶液中沉淀，将石墨烯附着至光活性金属氧化物半导体的表面。在某些方面，纳米结构体具有1nm至小于1000nm，或1nm至500nm，或1nm至100nm，或1nm至50nm，或1nm至25nm，或1nm至10nm的尺寸。在具体的实例中，石墨烯是纳米线、纳米颗粒、纳米簇，或纳米晶体，或其任意组合。在甚至更具体的实例中，石墨烯不是石墨烯薄片或石墨烯片(即，按具有两个相对的平面的/基本上平面的表面的蜂巢晶格排列的碳原子片)。光活性金属氧化物半导体可以是颗粒，如微粒或更大的颗粒。在具体实施方案中，发现可以使用少量的导电材料并且仍然有效地分解水并生成氢气。这样的量可以是小于光催化剂的总重量的5wt.％、4wt.％、3wt.％、2wt.％或1wt.％。同样，导电材料可以覆盖光活性金属氧化物半导体的表面积的小于50％、40％、30％、20％、10％或5％，或可以覆盖光活性材料的总表面积的约0.0001％至5％，并且仍然有效地由水制氢。在特定方面，光催化剂可以是微粒形式或粉末形式并且可以加入水中。利用光源，可以将水分解并且可以发生氢气和氧气的形成。在具体的实例中，还可以将牺牲剂加入水中以进一步阻止电子/空穴复合。显著的是，当与已知系统比较时，本发明的光催化剂的效率允许技术人员避免使用牺牲剂或使用显著少量的牺牲剂。在一个实例中，可以将0.1vol.％至5vol.％的光催化剂和/或0.1g/L％至5g/L％的牺牲剂加入水中。可以使用的牺牲剂的非限制性实例包括：甲醇、乙醇、乙二醇丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇、乙二醇、丙二醇、甘油或草酸，或其任意组合。在特定方面，使用乙醇或使用乙二醇或其组合。光催化剂可以是自支撑的(即，其不由基底支撑)或其可以由基底(例如，玻璃、聚合物珠、金属氧化物等)支撑。如上文所提及的，本发明的光催化剂与光源结合能够分解水。不需要外加偏压或电压就可以有效地分解水。在一个非限制性实施方案中，光催化剂能够以以下速率由水制氢气：1×10-7mol/gCatalmin至30×10-7mol/gCatalmin，或约1×10-7mol/gCatalmin至10×10-7mol/gCatalmin，或约1×10-7mol/gCatalmin至5×10-7mol/gCatalmin，或约2×10-7mol/gCatalmin至3×10-7mol/gCatalmin。
还公开了由水制氢气和/或氧气的系统。该系统可以包括容器(例如，透明的或半透明的容器或不透明的容器，如可以放大光的容器(例如，具有一个或多个针孔的不透明的容器)及包含本发明的光催化剂、水和任选的牺牲剂的组合物。在具体实施方案中，所述容器是透明的或半透明的。该系统可以还包括用于照射组合物的光源。光源可以是自然日光或可以来自诸如UV灯的非自然光源。如上文所提及的，系统不是必须包括外加偏压或电压。
在另一实施方案中，公开了由水制氢气和/或氧气的方法，该方法包括使用上述系统以及使所述组合物经受光源足够的时间段以由水制氢气和/或氧气。在向水中加入光催化剂之前，可以将光催化剂加热至200℃至400℃。随后可以捕获氢气和/或氧气并将其用于其它下游工艺中，例如用于氨合成(由N2和H2)，用于甲醇合成(由CO和H2)，用于低碳烯烃合成(由CO和H2)，或其它使用H2的化学生产工艺等。在一非限制性方面，可以实施该方法，使得可以通过增加或减少系统经受的光量或光通量而根据需要调整由水制氢的速率。例如，可以使用具有约0.1mW/cm2至30mW/cm2的通量的光源以约1×10-7mol/gCatalmin至30×10-7mol/gCatalmin的速率制氢。
下文包括贯穿本说明书使用的多个术语和短语的定义。
“水分解”或该短语的任何变体描述了其中水被分解成氧和氢的化学反应。
“抑制”、“阻止”或“降低”或这些术语的任何变体，当用于权利要求或说明书中时包括任何可测量的减少或完全抑制以实现所期望的结果。例如，降低受激电子的复合涵盖了以下情形，其中当与例如，使用不具有附着于金属氧化物半导体的表面的石墨烯纳米结构体的光催化剂的情形相比，在本发明的光催化剂的存在下发生复合量的减少。
“有效的”或该术语的任何变体，当用于权利要求或说明书中时，意指足够实现所期望的、预料的或预期的结果。
“纳米结构体”是指以下物体或材料，其中该物体或材料的至少一个维度等于或小于100nm(例如，一个维度的尺寸是1nm至100nm)。在一个具体方面，纳米结构体包括等于或小于100nm的至少两个维度(例如，第一维度的尺寸是1nm至100nm并且第二维度的尺寸是1nm至100nm)。在另一方面，纳米结构体包括等于或小于100nm的三个维度(例如，第一维度的尺寸是1nm至100nm，第二维度的尺寸是1nm至100nm，并且第三维度的尺寸是1nm至100nm)。纳米结构体的形状可以是线、颗粒、球、棒、四脚锥体、超支化的结构体，或它们的混合物。在一些方面，本发明的纳米结构体可以是石墨烯薄片或石墨烯片(即，按具有两个相对的平面的/基本平面的表面的蜂窝状晶格排列的碳原子的片)，而在其他实例中，其可以排除此类石墨烯薄片或片。
“微结构体”是指以下物体或材料，其中该物体或材料的至少一个维度为0.1μm至100μm并且该物体或材料没有维度为0.1μm以下。在一个具体方面，微结构体包括0.1μm至100μm的两个维度(例如，第一维度的尺寸是0.1μm至100μm并且第二维度的尺寸是0.1μm至100μm)。在另一方面，微结构体包括0.1μm至100μm的三个维度(例如，第一维度的尺寸是0.1μm至100μm，第二维度的尺寸是0.1μm至100μm，并且第三维度的尺寸是0.1μm至100μm)。
术语“约”或“大约”定义为接近的，如本领域技术人员所理解，并且在一非限制性实施方案中，将该术语定义为在10％以内，优选为5％以内，更优选为1％以内，并且最优选为0.5％。
词语“一”(“a”)或“一”(“an”)的使用，当在权利要求或说明书中与术语“包含”(“comprising”)共同使用时，可以意指“一个/一种”(“one”)，但其还与“一个/种或多个/种”、“至少一个/种”，以及“一个/种或多于一个/种”的含义一致。
词语“包含/包括”(“comprising”)(以及包含/包括(“comprising”)的任何形式，例如“包含/包括”(“comprise”)和“包含/包括”(“comprises”))，“具有”(“having”)(以及具有(“having”)的任何形式，例如“具有”(“have”)和“具有”(“has”))，“包括”(“including”)(以及包括(“including”)的任何形式，例如“包括”(“includes”)和“包括”(“include”))，或“含有”(“containing”)(以及含有(“containing”)的任何形式，例如“含有”(“contains”)和“含有”(“contain”))是包含性的或开放式的并且不排除另外的、未列举的要素或方法步骤。
本发明的光催化剂和光活性材料可以“包含”整个本说明书中公开的特定组分、组合物、成分等，“基本上由整个本说明书中公开的特定组分、组合物、成分等组成”或“由整个本说明书中公开的特定组分、组合物、成分等组成”。在一非限制性方面，关于连接短语“基本上由…组成”，本发明的光活性催化剂和材料的基本的新颖的特性是它们在水分解应用中有效地利用受激电子来制氢的能力。
本发明的其他目的、特征和优势将从以下附图、详细说明以及实施例中变得显而易见。然而，应理解，附图、详细说明以及实施例，尽管表明本发明的具体实施方案，但仅以示例性说明的方式给出而并不意味着限制。此外，应预期，根据本详细说明在本发明的精神和范围内的改变和修饰对本领域的技术人员将变得显而易见。
附图简述
图1描述了本发明的水分解系统的示意图。
图2是使用N2H4还原的石墨烯氧化物的价带结构体。石墨烯的独特的σ能带和π能带在Ar离子溅射之后(1000s、3000s和5000s谱图)清晰可见。
图3是在UV光子激发下经石墨烯(G)/SrTiO3光催化剂和石墨烯(G)/CeO2光催化剂由水制氢的时间对mol/gCatalmin的图。对于石墨烯/SrTiO3和石墨烯/CeO2，制氢速率分别计算为3×10-7mol/gCatalmin和2×10-7mol/gCatalmin。
发明详述
虽然很多人已经提议将基于氢的能源作为与基于碳的能源有关的当前问题(例如，有限的量和化石燃料排放)的解决方案，但是目前可利用的技术是昂贵的、低效的或不稳定的。本申请提供了这些问题的解决方案。该解决方案基于光催化剂的使用，该光催化剂使用选自SrTiO3或CeO2的光活性金属氧化物半导体与附着于所述光活性金属氧化物的表面的石墨烯纳米结构体的组合。这些光催化剂可以用于通过经诸如日光或UV灯的光源分解水来有效的制氢。
在以下部分中进一步详细地讨论本发明的这些和其他非限制性方面。
A.光催化剂
图1示出了本发明的光催化剂系统10的非限制性实施方案的代表。该光催化剂包含光活性金属氧化物12和附着于光活性金属氧化物12的至少一部分表面的石墨烯17。光活性金属氧化物12可以是钛酸锶(SrTiO3)，钛酸锶是具有约3.2eV的带隙的半导体，或二氧化铈(IV)(CeO2)，二氧化铈(IV)具有约3.48eV的带隙的半导体。与本发明的石墨烯纳米结构体17组合，SrTiO3和CeO2能够在UV光照射下催化水分解。在所示的实施方案中，光活性金属氧化物12通常具有圆形横截面。此外，光活性金属氧化物12可具有与本发明的光催化剂10的功能相容的任何形状，包括但不限于：球形的、棒状的、不规则形状的，或它们的组合。光活性金属氧化物12可以还是，作为非限制性实例，块体材料、颗粒状材料或扁平片。光活性金属氧化物12可具有适用于光催化剂系统10中的任何微结构体或更大尺寸的结构体。在一些实施方案中，光活性金属氧化物12是微结构体，意指它们具有测量为0.1μm至100μm的至少一个维度并且没有测量为0.1μm以下的维度。
石墨烯纳米结构体17可以用作用于受激电子的导电材料以最终还原氢离子从而产生氢气。石墨烯可以是石墨烯氧化物，或其可以是已经被还原的石墨烯氧化物。石墨烯纳米结构体17是具有非常低的电阻率的导电材料，这使得它们非常适合与本发明的光活性催化剂(例如，10)中的光活性金属氧化物12组合起作用以促进受激电子在电子-空穴复合之前快速转移到氢。石墨烯17纳米结构体具有至少一个测量为100nm或更小的维度。在一些实施方案中，纳米结构体可以具有测量为100nm或更小的两个或三个维度。在一些实施方案中，纳米结构体可以具有测量为大于100nm的一个或两个维度。纳米结构体可具有适用于本发明的光活性催化系统中的任何形状，包括但不限于：纳米线、纳米颗粒、纳米簇、纳米晶体，或它们的组合。
B.制备光催化剂的方法
本发明的光活性金属氧化物12可商购自广泛的来源(例如，Co.LLC(St.Louis,Mo,USA)；AlfaAesarGmbH&CoKG,AJohnsonMattheyCompany(德国))。可选地，它们可以通过本领域普通技术人员已知的任何方法制备(例如，沉淀/共沉淀、溶胶-凝胶、模板/表面衍生化的金属氧化物合成、混合金属氧化物的固相合成、微乳液技术、溶剂热法、超声化学法、燃烧合成等)。在非限制性方面，金属氧化物12可以通过产生金属离子的水溶液并且使金属氧化物从溶液中沉淀出来制备。该沉淀可以在石墨烯17的存在下发生，导致纳米结构体17附着于光活性金属氧化物12的至少一部分表面。
石墨烯纳米结构体17可商购自广泛的来源(例如，Co.LLC(St.Louis,Mo,USA)；GrapheneaS.A.(Donostia-SanSebastian,Spain))。可选地，它们可以通过本领域普通技术人员已知的任何方法制备(例如，机械剥离、化学气相沉积、超声处理、割开碳纳米管、石墨烯氧化物的还原，等)。在非限制性方面，石墨烯氧化物17可以通过如下方法由石墨制备，将石墨氧化以形成石墨氧化物，然后搅拌、超声处理、或搅拌和超声处理两者，以从多层石墨氧化物中剥离石墨烯氧化物单层。随后，可以使用许多方法将石墨烯氧化物17还原，所述方法包括但不限于：暴露于氢等离子体、在氢下热处理，暴露于强脉冲光、在蒸馏水中加热、与诸如尿素的膨胀-还原试剂混合然后加热、直接在炉中加热、线性扫描伏安法，以及暴露于诸如，例如，N2H4的还原剂。
石墨烯纳米结构体17与光活性金属氧化物12的表面的附着可以通过本领域普通技术人员已知的任何方法实现。附着可以包括纳米结构体17在光活性金属氧化物12的表面上的分散和/或分布。附着可以，例如，通过在石墨烯纳米结构体17的存在下将金属氧化物12从溶液中沉淀出，然后干燥并且煅烧来实现。作为另一个非限制性实例，金属氧化物12和石墨烯17可以在挥发性溶剂中混合。在搅拌和超声处理后，可以将溶剂蒸发掉。随后，将干燥的材料研磨成细粉末并煅烧。煅烧(例如在300℃下)可以用于进一步使金属氧化物12结晶。
C.光催化剂的应用
一旦制备出本发明的光催化剂，可以将它们置于含有水溶液的透明容器中并用于水分解系统。再次参照图1，光催化剂系统10可以用于分解水以产生H2和O2。光源11(例如，自然日光或UV灯)接触光活性金属氧化物12，由此将电子13从它们的价带14激发至它们的导带15，因此留下相应的空穴16。将受激电子13用于还原氢离子以形成氢气，并且将空穴16用于将氧离子氧化成氧气。随后可以收集氢气和氧气并且用于下游工艺中。由于在光活性金属氧化物12的表面上分散的高度导电的石墨烯纳米结构体17，相比其他情况，受激电子13在与空穴16复合前更有可能用于分解水。
实施例
将通过具体的实施例更详细地描述本发明。以下实施例仅为了示例性说明的目的而提供，而不意图以任何方式限制本发明。本领域技术人员将容易地识别多种可以被改变或修饰的非关键的参数以产生基本相同的结果。
实施例1
(用于制备、测试和表征光催化剂的材料和方法)
还原的石墨烯氧化物的合成：
使用修饰的Hummers方法(Hummers&Offeman,1958)，由石墨制备石墨烯氧化物(GO)。在配备有磁力搅拌器的干燥的500mL圆底烧瓶中，将石墨粉末(1g)、硝酸钠(1g,11.76mmol)和硫酸(46mL)混合并在冰浴中搅拌。向所得反应混合物中缓慢地加入KMnO4(6g,37.96mmol)。在混合之后，将反应烧瓶转移至油浴中并且在40℃剧烈搅拌1h。向所得棕色糊中加入80ml水，并且将浆料再搅拌1h同时将温度升高至90℃。最后，加入200mL的水，然后缓慢加入6mL的H2O2(30％)，溶液的颜色从深棕色转为棕黄色。将产物滤出(趁热)，用过量的水洗涤，并且减压干燥。
通过将GO(0.3g)的水(100mL)混悬液置于250mL圆底烧瓶中，随后加入一水合肼(0.1mL)来制备还原的GO(RGO)。随后将混合物在80℃搅拌24h。将所得黑色粉末滤出，依次用水、HCl(10％)和丙酮洗涤。最后，将产物在真空下干燥。
还通过将GO的干燥样品(0.1g)置于石英管式炉中来制备RGO。在热处理前，将含有GO样品的管用氮气吹扫10min。随后，在流动的氮气下，将样品加热至高达1000℃。热处理如下进行：1)加热18min以达到1000℃，2)在1000℃维持5min，3)在200min内缓慢冷却至20℃，4)使在50min内达到室温。
图2显示了在Ar离子溅射之前和之后的石墨烯氧化物的价带区域(作为研究还原的石墨烯氧化物(RGO)的方法)。在表面已经被清除了外来碳和从空气中吸附的水(溅射1000s)之后，共轭石墨烯的σ(sigma)和π(pi)能带的特征性标志清晰可见。此后，在谱图中看不出显著变化(相比5000s和1000s谱图)，这表明石墨烯的整体结构是电子均匀的。Ar溅射导致RGO的表面和近表面的还原。
石墨烯/SrTiO 3 和石墨烯/TiO 2 催化剂的制备：
为了生产石墨烯/SrTiO3，将根据以上段落制备的石墨烯(2wt.％)与SrTiO3混合。随后，加入乙醇(100ml)并将混合物在水浴中超声处理2小时以获得均匀的混合物。随后，将混合物在室温缓慢地搅拌12小时以允许溶剂缓慢的蒸发。随后，将获得的固体材料研磨成细粉末。随后，将所得催化剂在300℃煅烧5小时。
还通过将Sr(NO3)2与TiCl4、Ti((CH3)3CO)4或Ti(CH3CH2O)4溶解于水中制备石墨烯/SrTiO3。随后将石墨烯(3wt.％)加入溶液中并将整个混合物超声处理30min。使用NH4OH使SrTiO3沉淀。随后，将混合物洗涤数次并干燥过夜，然后在500℃煅烧5小时。
由装入100ml圆底烧瓶中的硝酸铈铵(CeH8N8O18)(3.18g)制备石墨烯/CeO2。随后加入水(10ml)以形成溶液。随后，将石墨烯(3wt％,30mg)加入溶液中并将整个混合物超声处理30min。使用NH4OH使CeO2沉淀。随后，将混合物洗涤数次并干燥过夜，然后在500℃煅烧5小时。
实施例2
(水分解反应)
将来自实施例1的制备的催化剂(20mg，粉末)装入间歇式反应器中。随后将催化剂在300℃还原一小时。将反应器用氮气吹扫30min。随后将水(25ml)注入反应器中。在UV-照射下搅拌混合物。在不同的时间间隔使用注射器收集气体样品并通过使用配备有PorapakQ柱的GC-TCD分析气体样品。
图3显示了使用石墨烯/SrTiO3和石墨烯/CeO2催化剂的UV-激发的实验的结果。在石墨烯/SrTiO3的情况下，氢制造以线性呈现直至反应的约100分钟，之后产生速率明显减慢。考虑到在该工作中使用的SrTiO3的表面积，其约为3m2/g并且在该表面中约等于2×1019个O原子，发现每gCatal.的总的氢浓度是3×1019分子。这表明发生催化反应。在石墨烯/CeO2的情况下，氢制造具有与石墨烯/SrTiO3所观察到的速率相似的速率。然而，在这种情况下，出现了随时间的持续增加，尽管反应速率较弱。这是意料之中的，因为CeO2的价带的良好部分在高能UV区中，而激发灯在UV的低能侧。

Claims (18)

1.光催化剂，其包含具有附着于选自SrTiO3或CeO2的光活性金属氧化物半导体的表面的石墨烯纳米结构体的导电材料，其中所述光活性金属氧化物半导体是微结构体或更大的结构体。
2.权利要求1所述的光催化剂，其中所述石墨烯是石墨烯氧化物。
3.如权利要求1所述的光催化剂，其中所述石墨烯氧化物是还原的石墨烯氧化物。
4.如权利要求1至3中任一项所述的光催化剂，其中所述光活性金属氧化物半导体是SrTiO3。
5.如权利要求1至3中任一项所述的光催化剂，其中所述光活性金属氧化物半导体是CeO2。
6.如权利要求1至5中任一项所述的光催化剂，其中所述光活性金属氧化物半导体是颗粒。
7.如权利要求1至6中任一项所述的光催化剂，其包含小于5wt.％、4wt.％、3wt.％、2wt.％或1wt.％的所述导电材料。
8.如权利要求1至7中任一项所述的光催化剂，其中所述纳米结构体是纳米线、纳米颗粒、纳米簇或纳米晶体，或它们的组合。
9.如权利要求8所述的光催化剂，其中所述纳米颗粒在形状上是球形的或基本球形的。
10.如权利要求1至9中任一项所述的光催化剂，其中所述导电材料不覆盖超过所述光活性金属氧化物半导体的表面积的50％、40％、30％、20％、10％或5％。
11.如权利要求1至10中任一项所述的光催化剂，其中通过所述光活性金属氧化物半导体从包含所述石墨烯的水溶液中沉淀，将所述石墨烯附着至所述光活性金属氧化物半导体的表面。
12.如权利要求1至11中任一项所述的光催化剂，其中所述光催化剂能够催化水的光催化电解。
13.水分解系统，其包含：
包含权利要求1至12中任一项所述的光催化剂和水的透明容器；以及
用于照射所述水溶液的光源。
14.将H2O转化为H2和O2的方法，其包括用UV照射对包含权利要求1至12中任一项所述的光催化剂和水的水溶液进行照射，其中将所述H2O转化为H2和O2。
15.如权利要求14所述的方法，其中通过向水中添加所述光催化剂制备所述水溶液。
16.如权利要求15所述的方法，其中在向所述水中添加所述光催化剂之前，将所述光催化剂加热至200℃至400℃。
17.如权利要求14至16中任一项所述的方法，其中所述水溶液包含1wt.％-5wt.％的所述光催化剂。
18.如权利要求14至17中任一项所述的方法，其中所述制氢速率为2×10-7mol/gCatalmin至3×10-7mol/gCatalmin。
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