[发明专利]可见光下催化氧还原合成过氧化氢用催化剂及其制备方法

说明书

本发明属于催化剂技术领域，具体为一种可见光下催化氧还原合成过氧化氢用催化剂及其制备方法。本发明催化剂是一种磷、钾掺杂的石墨相氮化碳催化剂，石墨相氮化碳材料来源于尿素热聚合，磷、钾元素在尿素热聚合时原位引进，掺杂于石墨相氮化碳的骨架结构中。本发明利用掺杂组分对石墨相氮化碳的促进作用，实现在可见光、常温、常压液相体系中催化氧还原合成过氧化氢。磷、钾共修饰的尿素热聚合制备的石墨相氮化碳催化剂与已有的磷、钾共修饰的三聚氰胺热聚合制备的石墨相氮化碳催化剂相比，在可见光下的光催化氧还原合成过氧化氢反应中表现出了更高的催化活性。

技术领域

本发明属于催化剂技术领域，具体涉及用于可见光下液相体系中催化氧还原合成过氧化氢的催化剂及其制备方法。

背景技术

过氧化氢（H₂O₂）作为一种环境友好的氧化剂，广泛应用于医疗、废水处理、造纸、纺织、电子工业等行业。传统的“蒽醌自氧化法”生产过氧化氢具有能耗高、反应副产物污染环境、生产成本高等缺点（Angew. Chem. Int. Ed.,2006, 45, 6962; ChemSusChem,2016,9, 3374）。与这种多步骤、高消耗的生产过程相比，采用一步法将氢（H₂）氧（O₂）直接合成为H₂O₂具有工艺过程简单、环境友好、原料经济等优点。已有研究表明，钯（Pd）基催化剂具有很好的氢氧直接合成H₂O₂性能（Science, 2009, 323, 1037; Science, 2016, 351, 965）。然而，氢氧直接合成H₂O₂的工艺存在潜在的爆炸风险。因此，开发新型安全、环境友好的H₂O₂合成路线具有重要的实际意义。

用光催化的方法将光能转化为过氧化氢，既能实现将光能这一可再生能源稳定储藏，又能将光能直接化转为高附加值的化学品。近年来，通过在液相体系中光催化还原分子氧合成过氧化氢的研究在国内外均有报道。半导体氧化锌（ZnO）、二氧化钛（TiO₂）光催化材料在紫外光照射下，可催化合成毫摩尔浓度级的H₂O₂（Environ. Sci. Technol.,1988, 22,798;Environ. Sci. Technol.,1994, 28, 776）。当TiO₂负载金、银（例如Au/TiO₂、AuAg/TiO₂）后，其紫外光催化活性可得到明显提升（J. Am. Chem. Soc.,2010, 132, 7850; ACSCatal., 2012, 2, 599）。然而，太阳光的主要组成为可见光（λ>420 nm），设计合成在可见光照射下具有高活性的光催化材料是提高光转化效率的重要途径。在模拟可见光照射下，纳米金颗粒负载于BiVO₄或碳酸根修饰的TiO₂表面具有较高的催化合成H₂O₂的活性（ACSCatal., 2016, 6, 4976; Angew. Chem.Int. Ed., 2016, 55, 12773）。