[發(fā)明專利]一種基于光致缺陷反應的二氧化碳全分解方法

有效

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• 申請日: 2016-11-30
• 公開（公告）號: CN106629609B
• 公開（公告）日: 2018-06-19
• 發(fā)明（設計）人: 王冰;王小輝;辛振宇;閆世成;鄒志剛
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: C01B13/02
• 分類號: C01B13/02;C01B32/05;B01J23/14
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 陳建和

本發(fā)明公開了一種基于光致缺陷反應的二氧化碳全分解技術，涉及一種將二氧化碳轉(zhuǎn)化為碳和氧氣的方法。該技術包括氧化物半導體光催化劑及光源。具體方法：光照光催化劑產(chǎn)生光生電子和光生空穴；光生空穴氧化光催化劑表面的氧原子，在材料表面生成氧空位；氧空位活化二氧化碳分子；光生電子還原二氧化碳中的碳原子為單質(zhì)碳；二氧化碳中的氧原子填補光催化劑表面的氧空位，實現(xiàn)材料循環(huán)再生。本發(fā)明操作簡便、成本低廉、環(huán)保低耗、材料可循環(huán)利用。

技術領域

本發(fā)明涉及二氧化碳轉(zhuǎn)化和利用的方法，尤其是一種基于光致缺陷反應的二氧化碳全分解技術。

背景技術

人工光合成是二氧化碳轉(zhuǎn)化和利用的創(chuàng)新技術，它是利用太陽能激發(fā)半導體光催化材料產(chǎn)生的光生電子和空穴，將二氧化碳催化還原。與其它方法相比，該過程在常溫常壓下進行，原料簡單易得，直接利用太陽能無需耗費輔助能源，可真正實現(xiàn)碳資源的合理利用，因而被認為是最具前景的二氧化碳轉(zhuǎn)化技術之一。人工光合成技術轉(zhuǎn)化二氧化碳研究的核心是半導體光催化材料，它是決定該技術得以實際應用的重要因素。而某些光催化材料，在光催化反應中穩(wěn)定性較差，容易發(fā)生光腐蝕現(xiàn)象。普遍認可的光腐蝕步驟如下：光催化劑受光激發(fā)后，電子從價帶激發(fā)到導帶，產(chǎn)生光生電子和空穴；光生空穴分兩個緩慢的步驟催化劑表面被捕獲，進而氧化半導體材料的陰離子。光腐蝕過程是一個消耗光生空穴，破壞晶格位點的過程。本發(fā)明利用氧化物半導體光催化劑的光腐蝕反應在材料表面產(chǎn)生氧空位，利用氧空位活化二氧化碳分子，從而實現(xiàn)完全分解二氧化碳產(chǎn)碳和氧氣。利用光致缺陷反應完全分解二氧化碳分子的技術至今未見報道。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術問題是，提供一種基于光致缺陷反應的二氧化碳全分解技術。該技術操作簡便、成本低廉、環(huán)保低耗、材料可循環(huán)利用。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明通過如下技術方案實現(xiàn)，一種基于光致缺陷反應的二氧化碳全分解方法，包括以下步驟：

(1)將半導體光催化材料置于密閉的系統(tǒng)中，對該系統(tǒng)抽真空，使密閉系統(tǒng)的真空度達到一定閾值；

(2)對步驟(1)處于真空下的半導體光催化材料進行光輻照，使其表面生成氧空位；

(3)將二氧化碳引入至步驟(1)中的密閉系統(tǒng)，繼續(xù)光照，利用步驟(2)中真空光輔照后的半導體光催化材料還原二氧化碳。

進一步地，在步驟(1)中，所涉及的半導體光催化材料為能發(fā)生光腐蝕反應的所有氧化物半導體光催化材料；密閉系統(tǒng)的真空度為0～0.4Pa。

進一步地，在步驟(2)中，所采用的真空輻照光源包括所有紫外及可見光區(qū)的光源；

真空光照時間為0～48h；所使用的半導體光催化材料的質(zhì)量為0.02～0.5g。

更進一步地，在步驟(3)中，所采用的光還原二氧化碳的光源包括所有紫外及可見光區(qū)的光源；光照時間為12～72h；引入的二氧化碳氣體為一個標準大氣壓。二氧化碳氣體的純度大于90％。

催化材料為M_xGe_yO_z(M＝Zn，Ni，Co，F(xiàn)e；x,y,z為相應的摩爾數(shù),且x≥0，y≥0，z>0)。催化材料尤其為鋅鍺氧ZnGeO₂或CoGeO₂。

有益效果：本發(fā)明利用氧化物半導體光催化材料的光腐蝕現(xiàn)象，通過光致缺陷反應生成的氧空位實現(xiàn)活化二氧化碳分子并還原二氧化碳為碳和氧氣，其操作簡便、成本低廉、條件溫和、工藝簡單、環(huán)保低耗、材料可循環(huán)利用，具有大規(guī)模生產(chǎn)的前景。

附圖說明

圖1為本發(fā)明涉及的由具體實施例1～4中真空輻照鋅鍺氧半導體光催化材料的電子順磁共振圖譜；

圖2為本發(fā)明涉及的由具體實施例1～4利用光致缺陷反應還原二氧化碳生成的碳產(chǎn)量。