[發(fā)明專利]光合成過氧化氫用碳氮催化劑及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710440921.3
• 申請(qǐng)日: 2017-06-13
• 公開（公告）號(hào): CN107262129B
• 公開（公告）日: 2019-08-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 項(xiàng)頊;張欣
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京化工大學(xué)
• 主分類號(hào): B01J27/24
• 分類號(hào): B01J27/24;B01J37/10;C01B15/029
• 代理公司: 北京思海天達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11203
• 代理人: 張慧

本發(fā)明公開了一種光合成過氧化氫用碳氮催化劑及其制備方法，該催化劑的制備方法為：將含碳、氮的有機(jī)物粉末在空氣或惰性氣氛下焙燒得到C₃N₄固體粉末；再將C₃N₄研磨后與糖溶液混合，于水熱反應(yīng)釜中進(jìn)行碳化反應(yīng)，得到無定形碳修飾的C₃N₄；然后在惰性氣氛下焙燒，得到碳氮催化劑(C_xN_y)。本發(fā)明所采用的原料來源豐富、無毒，具有綠色、可持續(xù)、成本低的特點(diǎn)，適合規(guī)模化生產(chǎn)。該催化劑用于以水、氧氣和少量醇為原料、利用太陽光作為能源供體生產(chǎn)H₂O₂，整個(gè)過程不使用任何有毒試劑、有毒溶劑、無廢物、廢水排放，反應(yīng)條件溫和，綠色環(huán)保。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于太陽光驅(qū)動(dòng)清潔合成過氧化氫用催化劑制備領(lǐng)域，具體涉及碳氮催化劑的制備。

背景技術(shù)

過氧化氫(H₂O₂)被譽(yù)為“清潔”的化學(xué)品，其應(yīng)用于造紙、紡織、印染、電子、食品、環(huán)保和化學(xué)合成等領(lǐng)域，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，其應(yīng)用會(huì)更加廣泛。

目前工業(yè)上生產(chǎn)H₂O₂的主要方法是蒽醌法，該方法具有裝置易于大型化、產(chǎn)率較高等優(yōu)點(diǎn)。不足之處是生產(chǎn)系統(tǒng)復(fù)雜，生產(chǎn)過程能耗大，H₂O₂與有機(jī)物質(zhì)在反應(yīng)體系里同時(shí)存在，易產(chǎn)生爆炸危險(xiǎn)與高毒性。因此，人們發(fā)展了以H₂和O₂為原料的H₂O₂直接合成法(Science,2009,323,1037-1041.)，這種方法通常是以貴金屬Au、Pd或雙金屬AuPd作為催化劑，水為介質(zhì)，通過H₂和O₂的反應(yīng)，選擇性生成H₂O₂。該法基本不使用有機(jī)溶劑，因此較蒽醌法更綠色、環(huán)保。但是，H₂和O₂的氣體混合體系在很寬的濃度范圍內(nèi)具有爆炸風(fēng)險(xiǎn)，難以控制，在合成時(shí)需精細(xì)調(diào)節(jié)兩者的比例，或加入稀釋劑(例如：N₂、Ar氣)，這會(huì)對(duì)反應(yīng)產(chǎn)生影響，導(dǎo)致H₂O₂選擇性不高，產(chǎn)率較低。

為了避免H₂和O₂兩種氣體的直接接觸，研究者提出以質(zhì)子氫(H⁺)代替分子氫(H₂)制備H₂O₂。TiO₂是一種廣泛使用的光催化劑，在光激發(fā)下產(chǎn)生的光生電子能夠還原氧，然后經(jīng)過一系列自由基轉(zhuǎn)化過程可以形成H₂O₂，但生成的H₂O₂會(huì)在TiO₂表面快速分解，降低H₂O₂的產(chǎn)率。為了抑制H₂O₂在TiO₂表面的分解，研究者設(shè)計(jì)了TiO₂負(fù)載Au、Ag的氧化物為催化劑，通過貴金屬將電子導(dǎo)出，使得H₂O₂在貴金屬表面生成，從而抑制H₂O₂的分解，提高H₂O₂的產(chǎn)率(ACS Catal.,2012,2,599-603；J.Am.Chem.Soc.,2010,132,7850-7851.)，但這種方法的催化劑需要使用貴金屬，資源非常有限，價(jià)格昂貴，不適于工業(yè)生產(chǎn)與推廣。利用氟離子(F^-)改性TiO₂，可以減少H₂O₂在TiO₂表面的分解，提高產(chǎn)率(Chem.Commun.,2005,2627-2629.)，但是所使用的氟化氫(HF)具有強(qiáng)腐蝕性，操作危險(xiǎn)大，增加工業(yè)生產(chǎn)的成本與風(fēng)險(xiǎn)。