[發明專利]一種光催化系統及其應用

有效

• 申請號: 202110948427.4
• 申請日: 2021-08-18
• 公開（公告）號: CN113620255B
• 公開（公告）日: 2022-09-20
• 發明（設計）人: 張延榮;孫明輝
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: C01B15/027
• 分類號: C01B15/027
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 許恒恒

本發明公開了一種光催化系統及其應用。所述光催化系統包括位于上層的水相、位于下層的氟碳相、位于水相和氟碳相界面處的光催化劑；其中，所述光催化劑為疏水型光催化劑，所述氟碳相為全氟溶劑。本發明利用全氟溶劑對于氣體的極強溶解能力，將氧氣進行高效溶解，疏水型光催化劑在光照下可還原氟碳相中的高濃度溶解氧生成H₂O₂，且生成的H₂O₂可自分離至水相中，從而直接獲得高濃度純H₂O₂水溶液。由此，解決了現有技術中通常采用水溶液溶解氧氣，由于溶解氧濃度低下而導致產率低的問題；進一步的，全氟溶劑不溶于水，溶于水的反應產物H₂O₂可自分離進入水相，不涉及后續反應產物提純問題。由此，本發明實現了H₂O₂的高效光合成和原位分離。

技術領域

本發明屬于光催化技術領域，更具體地，涉及一種光催化系統及其應用。

背景技術

過氧化氫(H₂O₂)作為一種重要基礎化學品和綠色高能氧化劑，被廣泛使用在化學合成、紙張漂白、醫藥衛生、環境治理等領域。目前工業上合成H₂O₂主要采用的是傳統蒽醌法，該方法能耗大且會產生高毒性的副產物，不符合綠色化學的發展要求。人工光合作用，即在陽光驅動下氧氣與水反應合成H₂O₂的方法，最早于20世紀80年代由澳大利亞科學家提出，由于輸入能源為太陽能、反應物為水和氧氣且不產生任何有毒有害副產物，合成全過程節能低碳、綠色環保，因此被認為是H₂O₂合成最有前景的方法。

H₂O₂光合成技術目前研究進展迅速，但主要還存在有兩大問題限制其進一步發展與推廣：1)由于反應物O₂和H₂O極性的巨大差異，O₂在水溶液反應體系中極低的溶解度極大限制了O₂還原為H₂O₂的反應動力學，導致目前H₂O₂光合成的效率低下，濃度通常只能達到μmol/L級別；2)生成的H₂O₂后續的提純分離步驟繁瑣耗能。

全氟溶劑是一種新型綠色溶劑，它是有機溶劑如烷烴、醚和胺中所有氫原子被氟原子取代的產物。其無色無毒，密度大于水和大多數常用有機溶劑，化學穩定性和熱穩定性極佳。在一般條件下，全氟溶劑不溶于水和有機溶劑，而成為獨立的“氟碳相”，但是其對氣體尤其是氧氣具有極強的溶解能力，其溶解氧濃度可達到水溶液中的30倍以上。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種光催化系統及其應用，其目的在于通過在常規水溶液反應體系中引入具有極強溶解氧能力的氟碳相，使得處于水相/氟碳相界面的疏水型光催化劑可以直接還原利用全氟溶劑中的高濃度溶解氧生成H₂O₂，進而突破傳統水相體系中由于溶解氧濃度低而產生的動力學速率瓶頸，從而極大提升H₂O₂光合成效率。此外，生成的H₂O₂由于溶解度的作用自發地轉移至水相中完成分離和富集濃縮，避免了生成的H₂O₂后續繁瑣耗能的分離提純步驟。而全氟溶劑憑借其優異的化學穩定性在反應過程中保持不變，可循環使用，由此解決現有技術中由于溶解氧濃度低下而導致的H₂O₂光合成效率難以提升，生成的H₂O₂分離提純困難等技術問題。

為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種光催化系統，包括位于上層的水相、位于下層的氟碳相、位于水相和氟碳相的界面處的光催化劑；其中，所述光催化劑為疏水型光催化劑，所述氟碳相為全氟溶劑。