[发明专利]一种太阳光驱动高效还原CO2的Pt‑ZnGa2O4光催化剂的制备

说明书

技术领域

本发明涉及一种在分散剂作用下通过低温水热法、陈化制备出高比表面ZnGa₂O₄，再通过浸渍-还原法制备Pt-ZnGa₂O₄光催化纳米材料的方法，这种光催化材料在太阳光照射下有良好的CO₂光催化还原性能。

背景技术

随着人类社会的不断发展，人口持续膨胀，能源危机和环境问题已是21世纪人类必须面临的两个严峻挑战。当今世界能源消耗的80%仍来自以石油、煤、天然气等为主的化石能源，从经济、环境和社会的角度来看，这种能源供应和消费趋势显然是不可持续的。随着工业的不断发展，森林数量的减少，碳排放的显著增加打破了自然界的碳循环平衡，导致大气中以CO₂为主的温室气体的浓度持续增加，由此引发的环境问题也日益凸显。因此，开发CO₂减排和转化技术对保护环境、推动经济和社会可持续发展具有重大而深远的意义。如何稳定控制大气中温室气体浓度的方案迅速成为研究热点，引起了环境、能源、物理、化学等多学科研究者的极大兴趣。人们一直努力寻找新的方法，试图将过量的CO₂转化为有用的化学物质。CO₂是热力学十分稳定的化合物，以其为原料生产的产物都是它的还原产物，要想完成这种转化必须对CO₂进行活化，向CO₂输入很高的电子形式的能量，即任何大规模使用CO₂工艺都潜在耗能，不仅要继续消耗化石能源，而且会直接排放更多的CO₂。因此，开发低能耗或者利用太阳能的CO₂转化和利用技术对于解决环境和能源问题具有重要的战略意义。

自从20世纪70年代日本科学家发现TiO₂光催化现象以来，大量的研究表明半导体材料，如金属氧化物(TiO_2，ZnO，ZrO，WO_3，CdO)和硫化物(CdS，ZnS)等都具有光催化活性。半导体光催化反应是以光能为驱动力的氧化-还原过程，其电子的激发与传递过程同绿色植物光合作用过程极为相似。大自然光合作用固定CO₂合成有机物，是人类赖以生存的基础，由于环境的恶化，森林、植被的减少，“人工固碳”是降低大气温室效应的有效途径，光催化技术的应用为人工光合成还原CO₂提供了借鉴。人工光合成还原CO₂是利用太阳能激发半导体光催化材料产生光生电子-空穴，以诱发氧化-还原反应将CO₂和H₂O合成羧酸、醇、烷烃或其它有机物质，以实现碳的循环使用。与其它方法相比，该过程在常温常压下进行，原料简单易得，直接利用太阳能无需耗费辅助能源，因而被认为是最具前景的CO₂转化方法。

尖晶石类化合物是一类重要的功能材料，种类繁多，在光诱导下具有光、电、磁及催化等功能特性，已被广泛应用于磁性材料、光学材料、气敏材料以及催化材料。ZnGa₂O₄的能带间隙较宽，无光腐蚀，化学稳定性良好，被认为是一种理想的光学材料，可作为光催化剂。由于单一ZnGa₂O₄的光催化效率相对不高，如果通过高温固相法制备样品容易发生团聚，降低了比表面积，限制了光催化活性的提高。采用温和的制备方法，并在制备过程中加入一些分散剂或络合剂可减轻产物的团聚现象，可极大的增加样品比表面积，提高单位面积上光催化活性点位，即提高光催化活性。