[发明专利]一种整体式催化剂的制备及其应用方法

说明书

本发明涉及一种面向“磁‑光‑热”耦合增强反应器的整体式催化剂制备及其应用方法。该催化剂的制备方法为：以泡沫铁、泡沫铝、泡沫铜等金属泡沫材料为载体，采用溶胶凝胶法将CeO₂、BiVO₄、WO₃等光催化材料负载到金属泡沫表面上，再用沉积沉淀法将Fe‑FeO_x、Cu‑CuO_x、Ni‑NiO_x、Co‑CoO_x等助催化剂负载到上述催化材料表面，制备出整体式催化剂。该催化剂可在“磁‑光‑热”耦合增强反应器中应用于光催化CO₂还原反应。本发明制备的整体式催化剂结构有利于三场耦合催化过程的工程应用，此外，整体式催化剂中泡沫金属不仅作为载体，还发挥着磁热效应和光热效应的作用，能够实现太阳能驱动CO₂高效转化的目的，为CO₂光催化还原生产烃的含氧衍生物提供一条新的理想途径。

技术领域

本发明涉及一种面向“磁-光-热”耦合增强反应器的整体式催化剂制备及其应用，尤其是设计的整体式催化剂结构更加有利于三场耦合催化过程的工程应用。

背景技术

随着经济社会的迅速发展，人类活动消耗大量化石能源，导致大气中CO₂的浓度持续高速增长。作为一种主要的温室气体，CO₂浓度增长是目前全球变暖的主要原因，严重威胁着人类的生存和可持续发展。而另一方面，CO₂也是宝贵的碳资源，对其进行有效捕集和利用，不但可以缓解温室效应所导致的各种环境问题，同时可以解决能源短缺所带来的社会问题。所以，研究太阳能驱动CO₂转化利用具有十分重要的科学和现实意义。光催化还原CO₂技术在近年来不断发展和突破，各种光催化材料层出不穷，但单一地利用光催化还原CO₂仍然面临诸多问题：(1)CO₂转化率低，产物选择性差；(2)半导体能势(光生电子和空穴电势)与CO₂的还原电势不相匹配；(3)光催化CO₂还原为多电子多步反应，反应动力学制约着光催化效率。为解决上述问题，越来越多的研究者逐渐将目光投向光-热耦合催化路线，利用光热协同作用，提高光催化效率。

针对传统光催化、热催化、光热协同催化CO₂还原转化过程中能量转化的问题，“磁-光-热”耦合增强反应器基于太阳光分频利用、“磁-光-热”三场耦合的方法，能够实现太阳能驱动CO₂高效转化的目的，解决太阳光能量利用率低的问题。该反应器通过外加磁场改变催化剂表面反应物和产物的吸附、脱附以及活化性能，抑制光生电子和空穴的复合，提高光量子效率；通过交变磁场的磁热耦合作用，实现催化剂定点定位高效加热，提高反应性能，降低外场能耗。

基于“磁-光-热”耦合增强反应器的优异特性，本发明构建了一种以泡沫铁、泡沫铝、泡沫铜等金属泡沫材料为载体的整体式催化剂结构，并将其应用于在“磁-光-热”耦合增强反应器中的光催化CO₂还原反应。整体式催化剂中泡沫金属不仅作为载体，还发挥着磁热效应和光热效应的作用，此外，这种整体式的催化剂结构更加有利于三场耦合催化过程的工程应用，为CO₂光催化还原生产烃的含氧衍生物提供了一条新的理想途径。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种整体式催化剂的制备方法及其在“磁-光-热”耦合增强反应器的应用方法，为CO₂光催化还原生产烃的含氧衍生物提供了一条新的理想途径，本发明制备的整体式催化剂发挥着磁热效应和光热效应的作用，能够实现太阳能驱动CO₂高效转化的目的。本发明制备的整体式催化剂结构有利于光催化CO₂还原反应所需要的势能要求；有利于低频光子的光热转换；有利于高效磁感应加热；还有利于三场耦合催化过程的工程应用。