[發明專利]一種碳化鐵復合一氧化鈦的納米顆粒光熱催化劑及其制備

有效

• 申請號: 202010161661.8
• 申請日: 2020-03-10
• 公開（公告）號: CN111589463B
• 公開（公告）日: 2022-08-23
• 發明（設計）人: 閔宇霖;郝敬軒;魏濼驥;時鵬輝;范金辰;徐群杰;朱晟
• 申請（專利權）人: 上海電力大學
• 主分類號: B01J27/22
• 分類號: B01J27/22;B01J35/10;B01J37/08;C07C1/02;C07C9/04
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司 31225
• 代理人: 劉燕武

本發明涉及一種碳化鐵復合一氧化鈦的納米顆粒光熱催化劑及其制備，首先將P25，PAN，DMF，硝酸鐵混合后烘干，在氨氣氛圍下800～850℃煅燒4小時，取出樣品后研磨成粉末，得到碳化鐵復合一氧化鈦的納米顆粒光熱催化劑，其具有寬的光吸收范圍，高產甲烷性能，低電阻率，快速轉移載流子的能力，高光生載流子分離能力，低載流子重組率，以及良好的二氧化碳還原高循環穩定性等特點，其用于光熱催化二氧化碳還原甲烷，速率最高可達37.67μmol·g^?1·h^?1。其制備方法具有操作簡單，成本低廉，所用原材料無毒，符合環保理念的生產。

技術領域

本發明屬于光催化材料技術領域，涉及一種碳化鐵復合一氧化鈦的納米顆粒光熱催化劑及其制備。

背景技術

隨著全球人口數量和世界經濟的快速發展，人類對于化石能源的需求也隨之日益增長。但是石油，煤，天然氣等化石燃料的日益枯竭，以及全球溫室效應導致的氣候變化，發展可再生的清潔能源迫在眉睫。化學還原是地球碳循環的關鍵過程，是未來太陽能捕獲和存儲技術的發展方向。光合作用將二氧化碳轉化為碳水化合物，維持了地球上幾乎所有的生命。受此啟發，研究人員試圖開發光合模擬系統，將二氧化碳還原為燃料和有價值的化學原料。然而，限制現階段光催化CO₂取決于三個主要因素：(1)光催化劑吸收更寬光譜的太陽能；(2)光生載流子(電子-空穴對)的有效分離和轉移；(3)光催化劑表面有效的催化氧化還原反應。Ti基材料是目前光催化領域研究最多的催化材料。自1972年Honda和Fujishima等人發現了光催化TiO₂單晶電極光解水后，大量的Ti基材料被廣泛研究。但是，由于傳統的TiO2光催化劑不能吸收可見光乃至近紅外光，并且由于TiO₂的導帶電位過低(-0.1eVvsNHE)，遠遠不能滿足CO₂還原為CO(-0.52eV vs NHE)或者CH₄(-0.24eV vs NHE)的電位，因此對于改性Ti基類材料用于還原CO₂是很有必要的。通常情況下，采用四種典型的策略來改善其催化能力：(1)利用貴金屬/非貴金屬摻雜半導體；(2)將兩種不同的半導體復合，形成多帶隙材料；(3)暴露出催化反應的最佳晶面用于提高反應效率；(4)采用低價態Ti氧化物/氮化物構建出氧空位來提升光催化性能。

然而僅僅利用光的能量去激發出光生電子-空穴對，對于能量的利用是很低的，在光照的整個過程中，大部分的光能會轉化為熱能，而大部分的熱能又會由于反應而散發殆盡，這對于太陽光的整體利用率是很低的。近期，大量的科研人員開始進行光熱催化的研究以達到太陽光的最大利用效率。費托合成法(FTS)將來自化石燃料或生物質原料的一氧化碳轉化為有價值的碳氫化合物和含氧化合物，而工業上使用FTS已超過50年。在FTS中，最常用的催化劑是VIIIB族過渡金屬，尤其是鐵，鈷，鎳和釕。這些催化劑的CO加氫活性和產物選擇性不同，這些金屬中的幾種經常一起使用(以合金形式)以實現高CO轉化率或增強對特定產物或一組產物的選擇性。鐵基催化劑在FTS期間對輕烯烴表現出良好的初始選擇性。在FTS期間，金屬鐵在反應過程中逐漸轉變為碳化鐵(這被認為是鐵基FTS催化劑的真正活性相)。碳化鐵具有相對溫和的加氫能力和促進C-C偶聯反應的能力。

發明內容

本發明目的之一是為了解決上述的傳統Ti基材料作為光催化材料存在的有限吸光范圍、表面活性位點少、光生載流子極易重組、導帶位置低等所引發的光催化二氧化碳還原性能差的技術問題而提供了一種碳化鐵復合一氧化鈦的納米顆粒光熱催化劑，該催化劑具有吸光范圍廣、吸光范圍為全光譜、載流子不易重組等優點，在λ420nm的模擬太陽光照射下，產甲烷速率最高可達到37.67μmol·h^-1·g^-1。

本發明的目的之二是提供上述的一種碳化鐵復合一氧化鈦的納米顆粒光熱催化劑的制備方法，該制備方法由于原材料易獲得、操作簡單、實驗條件易達到，因此具有制備成本低、可批量生產等優點。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：