CN110526209A - 一种β辐照光催化产氢的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光催化技术领域，涉及一种β辐照光催化产氢的方法。所述的方法是将水、催化剂、牺牲剂混合后进行β辐照光催化产氢。利用本发明的β辐照光催化产氢的方法，能够将β放射性辐照和光照金属‑半导体复合催化剂同时作用于分解水产氢，提高光催化分解水产氢的效率，为绿色制氢技术提供新途径。

Description

一种β辐照光催化产氢的方法
技术领域
本发明属于光催化技术领域，涉及一种β辐照光催化产氢的方法。
背景技术
随着能源短缺和环境污染问题的加剧，通过采用光催化技术如何将太阳能高效转化成可储存、可再生、清洁的氢能是国内外研究的一个热点。TiO2因其化学性质稳定、导带价带电位比氢更负、光量子效应显著、价格便宜等特点，成为研究最多、应用最广泛的光催化材料。但TiO2直接作为光催化剂也存在着吸收光集中在紫外光光区和光量子效率不高两个不足，导致其对太阳能转化为氢能的总效率不高。
对TiO2光催化制氢技术的研究通常是对TiO2光催化剂进行改性研究，包括形貌控制、负载改性、复合半导体、贵金属修饰、离子掺杂、表面敏化等改性方法。这些改性方法在制备方法的难易程度、催化剂的稳定性、原材料的选择、产业化等方面各有优缺点，因此要通过高效、稳定的光催化系统实现裂解水高效产氢仍有很长的路要走，而对光催化制氢技术的不断研究也将有助于以可持续的方式解决全球能源问题。
射线与水溶液物质相互作用，辐射引起物质的电离，高能激发态和离子态具有极高的活性。同时射线与水溶液作用产生的活性粒子会在径迹周围形成不均匀的特殊的分布，激发离子及分子组成群团(又称刺迹或团迹)。例如射线辐照水时，瞬间产生高浓度的羟基自由基(·OH)、水合电子和氢自由基(·H)等活性粒子，可立即与水中的物质发生化学反应。
乏燃料中裂变产物金属铂(Pt)、钯(Pd)、钌(Ru)、铑(Rh)等铂系金属具有良好的氢吸附活性。而从乏燃料中获得的钯等金属，除具有铂系金属的优异催化性能外，其具有的β放射性可大幅度增加这种金属颗粒的催化反应活性。如果将β放射性引入到金属催化剂光催化制氢反应中，反应活性高、选择性低的自由基(·H等)将参与到光催化反应中，提高催化性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种β辐照光催化产氢的方法，以能够将β放射性辐照和光照金属-半导体复合催化剂同时作用于分解水产氢，提高光催化分解水产氢的效率，为绿色制氢技术提供新途径。
为实现此目的，在基础的实施方案中，本发明提供一种β辐照光催化产氢的方法，所述的方法是将水、催化剂、牺牲剂混合后进行β辐照光催化产氢。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种β辐照光催化产氢的方法，其中所述的催化剂为半导体光催化剂或改性的半导体光催化剂。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种β辐照光催化产氢的方法，其中所述的催化剂为Ru、Rh、Pd、Ag、Os、Ir、Pt和/或Au改性的二氧化钛光催化剂。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种β辐照光催化产氢的方法，其中所述的牺牲剂为甲醇和/或乙二醇等电子给体物质。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种β辐照光催化产氢的方法，其中所述的水与所述的牺牲剂的体积比为5-10:3。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种β辐照光催化产氢的方法，其中所述的水与所述的催化剂的质量比为700-1600:1。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种β辐照光催化产氢的方法，其中所述的β辐照剂量率为2-7kGy/min。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种β辐照光催化产氢的方法，其中所述的β辐照为每次2-5min/30min。
本发明的有益效果在于，利用本发明的β辐照光催化产氢的方法，能够将β放射性辐照和光照金属-半导体复合催化剂同时作用于分解水产氢，提高光催化分解水产氢的效率，为绿色制氢技术提供新途径。
附图说明
图1为示例性的本发明的β辐照光催化产氢装置的组成结构图。
图2为Pd/TiO2催化分解水氢气产量图，其中a代表无β粒子辐照Pd-TiO2光催化产氢，b代表β粒子辐照下Pd-TiO2光催化产氢。
图3为初始锐钛矿相二氧化钛光催化产氢量图。
图4为不同放射性强度下Pd-TiO2催化分解水的氢气产量图。
具体实施方式
通过图1所示的装置进行如下实施例的研究，该装置包括在线光催化分析系统1、氙灯2、电子加速器3、屏蔽铝板4(屏蔽β射线)、光催化反应器5(北京泊菲莱Labsolar 6A光催化反应系统)、铅板6、磁力搅拌器7、可控移动支架8。
实施例1：
通过光还原沉积法制备得钯重量比为1wt.％的Pd/TiO2催化剂。分别量取50ml去离子水和30ml甲醇，置于光催化反应器5中，再加入0.07g Pd/TiO2催化剂，磁力搅拌器7搅拌均匀呈悬浮液状态。
设置电子加速器3的相关参数(脉冲电压3.15V，扫描为0，脉冲频率5Hz)，打开氙灯2与电子加速器3，单次辐照时间为2min/30min，维持2.5h，共计辐照5次。
通过气相色谱每30min一次定期检测该实验过程中的累积产氢量(天美GC7900气相色谱，实验条件：气相色谱色谱柱温度为100℃，进样口温度为120℃，检测器为TCD检测器，检测器温度设置为140℃，桥电流为50mA，下同)。
对照实验：分别量取50ml去离子水和30ml甲醇，置于光催化反应器5中，再加入0.07g上述制备的Pd/TiO2催化剂，磁力搅拌器7搅拌均匀呈悬浮液状态。打开氙灯2，通过气相色谱每30min定期检测该实验过程中的累积产氢量。所得结果如图2所示。
实施例2：
分别量取50ml去离子水和30ml甲醇，置于光催化反应器5中，再加入0.07g锐钛矿TiO2催化剂(经过干燥处理)，磁力搅拌器7搅拌均匀呈悬浮液状态。打开氙灯2，通过气相色谱每30min定期检测该实验过程中的累积产氢量。所得结果如图3所示。
实施例3：
通过光还原沉积法制备得钯重量比为1wt.％的Pd/TiO2催化剂。分别量取100ml去离子水和30ml甲醇，置于光催化反应器5中，再加入0.063g Pd/TiO2催化剂，磁力搅拌器7搅拌均匀呈悬浮液状态。
设置电子加速器3的相关参数(脉冲电压3.15V，扫描为0，脉冲频率5Hz)，打开氙灯2与电子加速器3，单次辐照时间为5min/30min，维持1.5h，共计辐照3次，通过气相色谱每30min一次定期检测该实验过程中的累积产氢量。
同上方法，将电子加速器3的脉冲频率设置为7Hz，通过气相色谱每30min一次定期检测该实验过程中的累积产氢量。
同上方法，将电子加速器3的脉冲频率设置为10Hz，通过气相色谱每30min一次定期检测该实验过程中的累积产氢量。
所得结果如图4所示。
以上实施例1-3的结果说明：
(1)贵金属-二氧化钛复合催化剂很大程度上提高了二氧化钛的催化活性；
(2)β放射性对贵金属-二氧化钛复合催化剂的光催化效率有明显的促进作用；
(3)随着β射线强度的增大，Pd-TiO2催化分解水制氢的速率随之增大。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。上述实施例或实施方式只是对本发明的举例说明，本发明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施，而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本发明的范围内。

Claims (8)

1.一种β辐照光催化产氢的方法，其特征在于：所述的方法是将水、催化剂、牺牲剂混合后进行β辐照光催化产氢。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的催化剂为半导体光催化剂或改性的半导体光催化剂。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述的催化剂为Ru、Rh、Pd、Ag、Os、Ir、Pt和/或Au改性的二氧化钛光催化剂。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的牺牲剂为甲醇和/或乙二醇。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的水与所述的牺牲剂的体积比为5-10:3。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的水与所述的催化剂的质量比为700-1600:1。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的β辐照剂量率为2-7kGy/min。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的β辐照为每次2-5min/30min。
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