[发明专利]一种光催化还原二氧化碳的催化剂及其制备方法

说明书

本发明提供了一种光催化还原二氧化碳的催化剂及其制备方法，采用原位氧化法成功的将有机小分子DAS(4,4'‑二氨基二苯乙烯‑2,2'‑二磺酸)和DNS(4,4'‑二硝基二苯乙烯‑2,2'‑二磺酸)插入到水滑石的层间，得到了DNS/DAS与层状复合金属氢氧化物共插层二维纳米材料，实现了光致电荷的转移，解决了半导体催化剂在光照之后分离出的电子‑空穴快速复合的问题，使得分离出的电子有足够的时间去参与光催化还原二氧化碳在催化二氧化碳方面有着非常高的效率。插层后DAS和DNS的HOMO/LUMO能级符合发生光致电荷转移的能级匹配条件。光致电荷转移产生的电子可以跃迁到二氧化碳还原成甲醇的电极电位上。该类催化剂可以将二氧化碳还原成甲醇，且产率很高。

技术领域

本发明属于有机/无机复合材料技术领域，具体来说，涉及一种光催化还原二氧化碳的催化剂及其制备方法。

背景技术

众所周知，全球变暖问题是21世纪人类面临的最严重的环境问题之一。工业革命以后，二氧化碳成为工业生产排放的主要气体，也是导致温室效应的主要气体。为了减少大气中二氧化碳的含量，将二氧化碳进行光催化还原为甲醇，既减少了大气中二氧化碳的含量。又提供了新的能源，并且没有消耗化石能源，只是利用了太阳光。因此，将CO2光催化还原为甲醇具有非常重要的战略意义。在目前将二氧化碳还原为甲醇的反应研究中，催化剂的制备是一大热点。

层状复合金属氢氧化物(Layered Double Hydroxides,简写为LDHs，又称水滑石)是一类典型的阴离子型层状材料，是带正电的二维氢氧化物层板与层间阴离子通过静电相互作用有序堆积形成三维晶体结构，二价和三价金属离子的氢氧化物相互间高度分散并以离子键构成主体层板，层间阴离子有序排布，以静电力平衡主体层板电荷，整体呈现电中性。LDHs主体层板内的二价及三价金属离子的种类、比例和分布以及插层分子均可以人为调控，因此可以设计合成多种功能性复合材料。4,4'-二氨基二苯乙烯-2,2'-二磺酸(DAS)与4,4'-二硝基二苯乙烯-2,2'-二磺酸(DNS)是工业中的纸张漂白剂，两者相互作用可以将荧光淬灭，更有效的利用太阳光。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种光催化还原二氧化碳的催化剂及其制备方法。将有机小分子4,4'-二氨基二苯乙烯-2,2'-二磺酸(DAS)与4,4'-二硝基二苯乙烯-2,2'-二磺酸(DNS)作为客体引入到层状材料水滑石的层间，形成无机/有机复合物，可实现发光分子在分子尺度上定向排列和均匀分散；利用主体-客体、供体-受体的相互作用，可以调控主体-客体的吸光性能；通过调控发光客体与表面活性剂的比例，最大限度提高客体的吸光效率；同时，还可提高客体分子的物理和化学稳定性。

一种光催化还原二氧化碳的催化剂，其特征在于，是DNS/DAS/共插层水滑石光催化剂，晶体结构中金属阳离子和氢氧根离子以共价键构成八面体，通过共用边形成卷曲片状结构，阴离子4,4'-二氨基二苯乙烯-2,2'-二磺酸与4,4'-二硝基二苯乙烯-2,2'-二磺酸共同插入水滑石层间构成均匀分散的插层超分子层状复合材料。

进一步的，所述金属阳离子为Ni²⁺和Mn⁴⁺。

一种光催化还原二氧化碳的催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)配制二价镍盐与二价锰盐摩尔比为2:1-3:1的溶液，其中二价金属阳离子浓度为0.01-0.09M，记为溶液A；

2)配制4,4'-二氨基二苯乙烯-2,2'-二磺酸(DAS)、4,4'-二硝基二苯乙烯-2,2'-二磺酸(DNS)和氢氧化钠的混合水溶液，并且加入H₂O₂，其中DAS与DNS的摩尔比为1:9-9:1，加入氢氧化钠的物质的量是DNS与DAS的摩尔总量的2-2.2倍，加入的H₂O₂与二价锰离子的摩尔比为1:2-2:1，记为溶液B；