[發明專利]一種復合半導體催化劑及其在二氧化碳還原中的應用

在審

• 申請號: 202211738911.5
• 申請日: 2022-12-31
• 公開（公告）號: CN116273107A
• 公開（公告）日: 2023-06-23
• 發明（設計）人: 張澤凱;章鼎;劉文霞;朱秋蓮;盧晗鋒
• 申請（專利權）人: 浙江工業大學
• 主分類號: B01J27/224
• 分類號: B01J27/224;B01D53/86;B01D53/62;B01J37/02;B01J37/34;B01J35/00;C07C1/02;C07C9/04;C07C9/06;C07C11/04
• 代理公司: 杭州天正專利事務所有限公司 33201
• 代理人: 黃美娟;黃競云

本發明公開了一種復合半導體催化劑及其在二氧化碳還原中的應用；所述復合半導體催化劑中的高溫半導體選自SiC，以Cu?Ru合金為活性組分，所述催化劑的主要特征是突破當前高溫對催化劑溫度的影響，將催化劑使用的溫度上限提高到300攝氏度以上，在高溫下實現半導體的活化，并且擴大了吸光范圍；與單一組分的金屬負載相比，具有更高的二氧化碳轉化效率及太陽能的利用率和二氧化碳轉化率，能將二氧化碳轉化為更多的高價值的烷烴類產物，太陽能轉化率超過了5％，二氧化碳轉化率超過11％，具有較強的實際應用前景。

技術領域

本發明涉及光催化領域，具體涉及一種能高效利用光催化將CO₂還原為具有高價值的碳氫化合物的負載銅釕合金的高溫半導體催化劑。

背景技術

隨著經濟社會的發展，人們對能源的需求與日俱增。作為主要能源的化石能源與礦石能源帶來了不可避免的環境問題，同時造成了能源危機。化石燃料燃燒排放的CO₂打破了自然界的碳循環平衡，導致大氣中CO₂濃度持續增加，溫室效應對人類生活的影響越來越突出。為了應對如此嚴峻的全球性環境與能源問題，2015年12月，《聯合國氣候變化框架公約》近200個締約方達成《巴黎協定》。

光催化技術從上世紀開始就已經有了探索，1972年日本學者本多-藤島發現光催化技術可以用于分解水制氫，從此光催化技術引起了很多研究者的關注。現如今，利用太陽光這種豐富、清潔的可再生能源，以溫室氣體的主要成分CO₂作為碳源，將CO₂還原為高附加值產物，既能變廢為寶，獲得清潔能源，又能清除對環境的危害，減小溫室效應帶來的負面影響。

盡管利用光催化技術還原CO₂已經有很多學者花費很多精力探索，但迄今為止，絕大部分報道的文獻光催化反應速率不超過幾十到幾百μmol·g^-1·h^-1，光催化效率極低，有很大的進步空間。其主要原因是當前采用的光催化劑多為寬帶隙半導體催化劑，僅對高能量密度的紫外光有響應；同時，照射到地面的太陽能光譜中，紫外光的含量僅在5％左右，而光催化的量子效率不高于20％，因此光催化的利用效率僅在1％左右。

為了能夠提高光催化還原CO₂的效率，很多學者想要開發寬光譜吸收催化劑，將催化劑的吸光范圍延伸到可見光區，來獲得更多的電子。同時利用更多電子和空穴復合和可見光及紅外光帶來的熱量，提升催化反應的溫度，以此來提高CO₂的光催化還原效率。這種同時結合光催化與熱催化優點的方法稱為光熱催化，光熱催化條件下催化劑往往能表現出更加優秀的催化效果。因此很多研究者在這方面做了很多嘗試，如Ozin等人使用了垂直排列的SiNWs作為In₂O₃(OH)_y基氣相光催化劑的活性載體，通過RWGS反應將CO2還原為CO。這些雜化的納米結構材料比單獨使用In₂O₃(OH)_y顆粒能更多地利用太陽光線。Zhang及其同事利用太陽光驅動和加熱條件下進行一系列的費托合成反應來考察Co基催化劑性能等等。

隨著光熱催化體系研究的不斷深入，要讓催化劑在能量密度變高的環境下依舊能發揮穩定的催化性能，保持較高的CO₂轉化率，需要研發新的材料，即高溫半導體。傳統的半導體材料，如TiO₂(銳鈦礦)在高溫條件下就會轉化為TiO₂(金紅石)，這大大降低了催化還原CO₂的活性。類似的材料顯然已經不能很好的適用于光熱催化的條件。而高溫半導體能夠解決當前其它半導體材料不耐高溫的問題，在高溫條件下依舊保持穩定的物理結構和化學性質，將反應溫度提高到150℃以上，突破高溫對催化反應效果的影響。