[发明专利]预测TiO2光催化剂的效率的方法

说明书

发明领域

本发明涉及光催化剂领域，具体地讲，涉及预测光诱导反应中TiO₂光催化剂的效率的方法。更具体地讲，所述光诱导反应是CO₂的光还原。

背景

作为能量生产的主要来源，矿物燃料燃烧将大量CO₂释放到大气。随着CO₂排放法规的建立，对相关减少排放的主要短期解决方法包括碳捕集和封存(CCS)技术。CCS的目标是在大排放源捕集CO₂，并且将其封闭在大储存场所如地下洞穴中。因此，由于大量CO₂作为废物处理用于储存，能够使CO₂转变成有价值的产品的任何方法或技术可代表对捕集的CO₂再利用或再定价的途径。

在近年间已开发出用UV-VIS辐射来诱导CO₂转化成有益产品的很多策略(光化学方法)。遗憾的是，用常规照射系统不能进行直接的CO₂光激发，因此已研究活化惰性CO₂分子的备选和间接光化学方法，其中：

- 用半导体纳米颗粒将CO₂太阳能光化学还原成CO、H₂CO₂、H₂CO、CH₃OH、CH₄；

- 用太阳能电池产生的能量将CO₂(和水)电化学还原；

- 用半导体和表面改性电极将CO₂光电化学还原；

- 用太阳能产生的H₂将CO₂均相和非均相催化氢化以形成烃和CH₃OH；

- 基于光合细菌和藻类的CO₂固定(和H₂生产)。

本申请集中在用基于TiO₂掺杂的纳米颗粒的非均相催化来光化学还原CO₂，但在此报导的技术进步可扩展到其它光化学光诱导的反应。

在文献中，有很多基于TiO₂半导体的光催化系统的实例。具体地讲，努力集中在修改半导体组成，以实现：

- 为了提高光催化效率，通过促进电荷分离抑制电子-空穴复合；

- 半导体的吸收带向可见区域红移；

- 改变光催化过程的选择性和/或产率。

在文献中已描述通过TiO₂光催化而光还原CO₂的系统的很多实例。在每种情况下，过程的效率和选择性严格取决于采用的试验条件。CO₂压力(在固体-气体系统中)或CO₂浓度(在固体-液体系统中)、温度、照射时间和光强度和波长是最重要参数中的一些。另外，所用光催化剂的类型、掺杂剂的存在、牺牲剂以及纳米颗粒大小是决定光催化过程效率的其它内在关键因素。

本申请目的在于开发一种预测光诱导反应（特别是CO₂还原）所用的TiO₂光催化剂的效率的新方法。在近年间已开发出检验CO₂光还原的不同类型小规模和大规模光反应器。然而，难以发现就产物形成速率、产率和选择性而言能够达到显著效果的系统。另外，光反应器设计和建造的成本，反应器试验中所需的大量材料(光催化剂、溶剂、添加剂等)，特别是对所研究的各催化剂设置和评估光反应所需的长时间，证明需要开发通过快速和非消耗材料检测来预测哪种催化系统和实验条件适于在反应器中放大的新方法。发明人已意外地发现，使用瞬态吸收光谱允许实现此目的。

瞬态吸收(TA)光谱提供由激光脉冲照射而直接或间接产生的短寿命瞬态物类(三重态、自由基等)的寿命和吸收光谱方面信息。在TA光谱中，时间分辨率受激光脉冲宽度和/或检测器限制。因此，其寿命长于此时间尺度的任何瞬态物类都能够由此技术检测。在本申请中，通过将TA光谱应用于多种金属掺杂TiO₂半导体纳米颗粒，意外地显示用此技术评估用于CO₂还原的光催化剂效率的潜力。