一种钯单原子金属催化剂及其制备方法和光催化分解重水制备氘气、光催化分解水制备氢气的方法

本发明涉及光催化剂，特别涉及一种钯单原子金属催化剂及其制备方法和光催化分解重水制备氘气、光催化分解水制备氢气的方法。

背景技术：

1、氢的同位素中，氘(d)属于非放射性同位素。氘最初应用于以核能工业为代表的军事研究，随着研究深入与时代发展，氘逐步应用于光纤、激光器、制药、同位素标记等民用工业中。目前氘代化合物的合成方法可大致归类为：传统合成法和氢同位素交换法。各类合成方法使用的氘源包含：氘代碘甲烷(cd3i)、氘气(d2)、重水(d2o)、氘代甲醇(cd3od)等。cd3i具有高致癌性且易挥发，限制了其作为氘源的大规模应用。且cd3i、cd3od、d2等氘源的市场价格也远远高于d2o。因此，结合国内外市场氘源的供给和需求状态，以及安全存储、便捷运输等多因素，探究转化廉价氘源d2o至昂贵氘源d2的方法和技术尤为重要。

2、2020年，黄少斌教授课题组和曾和平教授课题组首次联合报道了以mos2-cd0.5zn0.5s复合型催化剂实现基于半导体材料光催化重水分解产氘气的工作，该工作虽首次证实了基于半导体催化剂进行光催化重水分解产氘气的可行性，但基于半导体光催化剂光催化分解重水产氘技术的普适性还有待进一步验证。氮化碳(pcn)禁带宽度约为2.7ev，导带电势约为-1.1ev，光激发后产生的光生电子具有很强的还原能力，已被广泛证明是性价比高、经济友好、潜力无限的有效催化水分解产氢的光催化剂之一。鉴于半导体光催化剂光催化分解重水产氘气和分解水产氢气的机理基本相同，即半导体光催化剂在适当的光能激发下产生光生电子和空穴，具有还原能力的光生电子活化还原氘质子(d+)至d2，聚合物半导体氮化碳也有望成为光催化分解重水产氘的有效光催化剂。

3、然而，氮化碳材料在光激发后产生的光生电子与空穴容易快速复合，极易限制其光催化分解重水产氘气的效率；且氮化碳材料光催化分解重水产氘的性能调控机制尚不明确。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是研究一种钯单原子金属催化剂及其制备方法和光催化分解重水制备氘气、光催化分解水制备氢气的方法，提高光催化分解重水产氘气的效率。

2、本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

3、一种钯单原子金属催化剂，钯单原子金属催化剂为pcn-pd催化剂(氮化碳基pd单原子催化剂)。

4、在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

5、本发明另一技术方案如下：

6、一种钯单原子金属催化剂的制备方法，包括：

7、步骤01、将尿素置于坩埚中，将坩埚放入马弗炉中焙烧，获得pcn固体，将其研磨成粉末，获得pcn粉末；

8、步骤02、以六氟乙酰丙酮钯和氨气为前驱体，加入pcn粉末，使用沉积系统，沉积循环来制备pcn-pd催化剂。

9、进一步，沉积系统为等离子体增强原子层沉积系统。

10、进一步，沉积循环的次数为1。

11、进一步，沉积循环的次数为80。

12、进一步，沉积循环的过程中使用高纯度n2、ar作为载气，使用nh3作为反应气体源。

13、本发明另一技术方案如下：

14、一种光催化分解重水制备氘气的方法，采用上述钯单原子金属催化剂中的pcn-pd催化剂，或采用上述任一制备方法制备的pcn-pd催化剂对重水进行光催化制备氘气。

15、进一步，光催化制备氘气具体包括：将pcn-pd催化剂放入烧杯中，加入重水和氘代甲醇；将烧杯放在超声仪中超声，使pcn-pd催化剂在液体中有效分散；将超声后的混合物倒入反应器中，进行光催化制备氘气。

16、本发明另一技术方案如下：

17、一种光催化分解水制备氢气的方法，采用上述钯单原子金属催化剂中的pcn-pd催化剂，或采用上述任一制备方法制备的pcn-pd催化剂对水进行光催化制备氢气。

18、进一步，光催化制备氢气具体包括：将pcn-pd催化剂放入烧杯中，加入水和三乙醇胺；将烧杯放在超声仪中超声，使pcn-pd催化剂在液体中有效分散；将超声后的混合物倒入反应器中，进行光催化制备氢气。

19、本发明有益效果为：本发明通过原子层沉积法的表面自限性化学反应，促进氮化碳中氮元素与pd金属的强相互作用，实现氮化碳基底材料上pd单原子金属的成功负载，制备pcn-pd催化剂，并通过调控沉积工艺的循环次数控制pd单原子金属的载量和分散度，从而获得光催化分解重水产氘性能最佳的高分散低载量pd单原子光催化剂。基于原子层沉积法制备及结构表征高分散低载量pd单原子光催化剂，并有效分解重水产生氘活性物质(d+或者d2)。

技术特征：

1.一种钯单原子金属催化剂，其特征在于，所述钯单原子金属催化剂为pcn-pd催化剂。

2.一种钯单原子金属催化剂的制备方法，其特征在于，包括：

3.根据权利要求2所述一种钯单原子金属催化剂的制备方法，其特征在于，所述沉积系统为等离子体增强原子层沉积系统。

4.根据权利要求2所述一种钯单原子金属催化剂的制备方法，其特征在于，所述沉积循环的次数为1。

5.根据权利要求2所述一种钯单原子金属催化剂的制备方法，其特征在于，所述沉积循环的次数为80。

6.根据权利要求2所述一种钯单原子金属催化剂的制备方法，其特征在于，所述沉积循环的过程中使用高纯度n2、ar作为载气，使用nh3作为反应气体源。

7.一种光催化分解重水制备氘气的方法，其特征在于，采用如权利要求1所述一种钯单原子金属催化剂中的pcn-pd催化剂，或采用如权利要求2至6任一制备方法制备的pcn-pd催化剂对重水进行光催化分解制备氘气。

8.根据权利要求7所述一种光催化分解重水制备氘气的方法，其特征在于，所述光催化制备氘气具体包括：将pcn-pd催化剂放入烧杯中，加入重水和氘代甲醇；将烧杯放在超声仪中超声，使pcn-pd催化剂在液体中有效分散；将超声后的混合物倒入反应器中，进行光催化制备氘气。

9.一种光催化分解水制备氢气的方法，其特征在于，采用如权利要求1所述一种聚合物半导体催化剂中的pcn-pd催化剂，或采用如权利要求2至6任一制备方法制备的pcn-pd催化剂对水进行光催化制备氢气。

10.根据权利要求9所述一种光催化分解水制备氢气的方法，其特征在于，所述光催化制备氢气具体包括：将pcn-pd催化剂放入烧杯中，加入水和三乙醇胺；将烧杯放在超声仪中超声，使pcn-pd催化剂在液体中有效分散；将超声后的混合物倒入反应器中，进行光催化制备氢气。

技术总结本发明涉及一种钯单原子金属催化剂及其制备方法和光催化分解重水制备氘气、光催化分解水制备氢气的方法，钯单原子金属催化剂为PCN‑Pd催化剂；通过原子层沉积法的表面自限性化学反应，促进氮化碳中氮元素与Pd金属单原子的强相互作用，实现氮化碳基底材料上Pd单原子金属的成功负载，制备PCN‑Pd单原子金属催化剂；并通过调控沉积工艺的循环次数控制Pd单原子金属的载量和分散度，从而获得光催化分解重水产氘性能最佳的高分散低载量Pd单原子金属催化剂。技术研发人员：孙宏丽,周子瑞,苏陈良受保护的技术使用者：深圳大学技术研发日：技术公布日：2024/9/29