[發明專利]可見光下不加犧牲劑高效生成過氧化氫的復合光催化劑的制備方法

在審

• 申請號: 202210040454.6
• 申請日: 2022-01-14
• 公開（公告）號: CN114471655A
• 公開（公告）日: 2022-05-13
• 發明（設計）人: 石建惠;曾劍;李英;羅一飛;高龍勝
• 申請（專利權）人: 山西省生態環境保護服務中心（山西省環境規劃院）
• 主分類號: B01J27/24
• 分類號: B01J27/24;B01J27/14;B01J21/18;C01B15/027
• 代理公司: 太原科衛專利事務所(普通合伙) 14100
• 代理人: 曹一杰

g?C₃N₄利用水和氧氣進行光催化生產過氧化氫是一種很有前途且可持續的方法。然而，由于有限的光吸收，快速的光生電子?空穴復合和差的表面電子遷移，純的g?C₃N₄生產H₂O₂的產量不理想。因此，采用高溫煅燒和水熱方法通過摻入磷和負載碳量子點來改性多孔g?C₃N₄合成p?P₁CN/CQDs₂₅復合光催化劑。磷作為電子轉移的橋梁，誘導電子進入CQDs，CQDs作為電子捕獲材料，捕獲和穩定光生的電子。由于CQDs具有獨特的光學特性，同時也可以增強光吸收。p?P₁CN/CQDs₂₅在可見光下，不添加犧牲劑和通氧的條件下，呈現出高度提升的H₂O₂生成活性，反應5 h后H₂O₂的生成量高達494μM/L，生成速率常數K_f為238μM h^?1。

技術領域

本發明涉及一種光催化劑的制備技術，具體為可見光下不加犧牲劑高效生成過氧化氫的復合光催化劑的制備方法。

背景技術

隨著人類社會對環境污染和新能源的日益關注，過氧化氫（H₂O₂）作為一種重要的綠色氧化劑和有前途的未來燃料，被認為是解決環境問題和能源危機的理想資源[1-3]。H₂O₂甚至擁有比壓縮H₂氣體更高的能量密度，有望在未來取代傳統的化石燃料[3, 4-6]。然而，現階段大規模H₂O₂的生成仍然依賴于傳統的基于蒽醌的方法，此類傳統方法存在著工藝復雜、能耗大、有機溶劑投入多、副產品有毒和爆炸危險等諸多缺點[7-9]。目前，作為替代傳統方法的新興方法，電催化和光催化生成H₂O₂已經引起了許多科研人員的極大興趣[10-13]。與電催化法的嚴重能耗相比，光催化過程是一種節能、環保和可持續的方法，它是在溫和的條件下捕獲太陽光并驅動半導體催化劑來產生H₂O₂[14-16]。

一般來說，光催化生成H₂O₂的機理過程主要是在光照下，通過適當導帶位置上的電子與氧氣發生還原反應生成的。生成途徑主要是通過直接的雙電子反應（公式1）[17-20]或以超氧自由基（·O₂^-）為中間物的連續兩步單電子反應（公式2和3）[21-23]。基于以上生成過程，H₂O₂的光催化生成主要由良好的光吸收、合適的導帶位置、理想的光生載流子分離及表面電子轉移、光催化劑表面一定的吸附氧濃度等決定的。

近年來，石墨相氮化碳（g-C₃N₄）作為一類新興的無金屬聚合物光催化劑，基于其穩定的理化性質、合適的能帶結構、易于制備、無毒和低成本的優勢，已經成為光催化生成H₂O₂的一個理想的候選者[24-27]。值得注意的是，其優越的導帶位置（約-1.3 eV）可以催化公式1-3中的所有反應[28]。然而，塊體g-C₃N₄產生的光催化H₂O₂的產量仍然遠遠不能令人滿意[29-32]。為了提高光催化生成H₂O₂的效率，需要解決g-C₃N₄光催化生成H₂O₂過程中的一些關鍵問題：有限的光吸收、快速的光生電子-空穴復合以及差的表面電子遷移。因為這些問題會使光生電子在與氧氣反應之前，與空穴復合或失去活性。