[發明專利]一種鈷鐵基光催化劑及其制備與應用

有效

• 申請號: 201711083424.9
• 申請日: 2017-11-07
• 公開（公告）號: CN107790133B
• 公開（公告）日: 2020-09-18
• 發明（設計）人: 張鐵銳;陳廣波;趙宇飛;李振華;趙嘉慶;吳驪珠;佟振合
• 申請（專利權）人: 中國科學院理化技術研究所
• 主分類號: B01J23/75
• 分類號: B01J23/75;C01B32/40;C10G2/00;C07C1/12;C07C9/04;C07C9/02
• 代理公司: 北京正理專利代理有限公司 11257
• 代理人: 趙曉丹

本發明公開一種鈷鐵基光催化劑及其制備與應用。所述鈷鐵基光催化劑包括Co、Fe和Al三種金屬元素，并且，包含其中一種或兩種金屬元素的納米顆粒均勻地高分散負載于包含有剩余金屬元素的納米片上。本發明的鈷鐵基光催化劑以水滑石為剛性前驅體，通過高溫可誘導限域形成高分散的廉價金屬納米催化劑。同時可以通過控制還原溫度，控制水滑石中金屬離子的溢出順序，進一步可形成豐富的納米結構，在光驅動二氧化碳氫化制備CO、CH₄和高碳烴方面有很高的選擇性。本發明的鐵鈷基光催化劑制備成本低廉，操作簡便，工藝簡單，易于大規模生產，有望代替傳統熱催化應用于工業應用方面。

技術領域

本發明涉及光催化技術領域，尤其涉及一種鈷鐵基光催化劑及其制備與應用。

背景技術

隨著人口的增加和全球工業化進程的加快，對化石燃料的需求越來越大，進而導致CO₂的排放量越來越大。CO₂的大量排放已經造成了嚴重的溫室效應和全球變暖問題。目前抑制CO₂量的方法包括：CO₂的捕集合存儲，CO₂的直接化學轉化。而CO₂的直接化學轉化無疑是一種“一箭雙雕”的方法，既能減少大氣中CO₂的含量，同時還能把CO₂轉化為可用的化學品。目前CO₂的轉化，主要集中在CO₂氫化反應，是在Ni，Ru，Fe，Co基催化劑上實現的，Ni，Co和Ru由于其嚴重的加氫能力，故只能生成低值甲烷，所以也稱為甲烷化催化劑。Fe由于其具有催化逆水煤氣變化特性和很好的費托反應活性，所以一般可以用來實現高級碳烴的生成。但是，傳統的CO₂氫化反應均需要高溫高壓，由此無疑加速了積碳的形成和催化劑燒結導致催化劑的失活；同時從能量和效率上講都是極其浪費的。所以在較溫和條件下驅動CO₂氫化反應，一直以來是催化及化學領域最前沿和極具挑戰的課題，近年來，利用太陽能替代傳統的熱能來驅動CO₂加氫制備烴類已經被證明是非常有前景的新思路利用太陽能光催化技術將太陽能轉化為化學能，已被認為是解決未來可再生能源的最佳途徑之一。

水滑石是一種二維層狀化合物，其主體層板結構類似于水鎂石Mg(OH)₂，層板為八面體MO₆共棱邊，金屬離子占據八面體中心，由于層板的金屬離子組成可調，比例可調，賦予了其廣泛的應用。同時以水滑石為剛性前驅體，通過高溫，可誘導限域形成高分散的廉價金屬納米催化劑。同時可以通過控制還原溫度，控制水滑石中金屬離子的溢出順序，進一步可形成豐富的納米結構，由于原位形成的催化劑，可避免傳統浸漬法等形成催化劑中的弱的催化成分-載體相互作用。該豐富的納米結構有望在催化領域有廣泛的應用前景。

發明內容

基于以上技術背景，本發明提供一種鈷鐵基光催化劑及其制備與應用。本發明基于水滑石的層狀結構及層板二價和三價金屬離子的比例可調控性，通過控制高溫原位還原溫度，可以形成一種鈷鐵基光催化劑，具體為三種負載型光催化劑，分別為FeO_x負載于CoAl混合金屬氧化物納米片上，FeO_x-CoO_x負載于無定型Al₂O₃納米片上，和CoFe合金負載于無定型Al₂O₃納米片上，并首次將其用于光驅動二氧化碳氫化反應，三種光催化劑可分別將CO₂高效的轉化為CO、CH₄和高附加值碳烴化合物。

為實現上述目的，本發明采用下述技術方案：

本發明一個方面提供一種鈷鐵基光催化劑，包括Co、Fe和Al三種金屬元素，通過控制三元金屬CoFeAl-LDH納米片的還原溫度，精確調控金屬的溢出順序，得到，包含其中一種或兩種金屬元素的納米顆粒均勻高分散負載于包含有剩余金屬元素的納米片上。