[发明专利]氮掺杂碳包覆铜镉硫化物催化剂光电还原CO2

权利要求书

1.一种氮掺杂碳包覆铜镉硫化物催化剂光电还原CO₂方法，其特征在于，包括下述步骤：

（1）按照3.5mmol∶3.5mmol∶7.0 mmol∶7.0 mmol∶70mL的比例关系取Cd(NO₃)₂·4H₂O、Cu(NO₃)₂·4H₂O、硫脲、聚乙烯吡咯烷酮和无水乙二醇，混合溶解后超声处理，形成均匀溶液；将溶液倒入不锈钢高压釜中，在120℃下加热4小时，得到铜镉硫化物纳米颗粒；

（2）取步骤（1）中的铜镉硫化物纳米颗粒2.5mg，溶解在2mL无水甲醇中；然后逐滴加入30 mL二甲基咪唑溶液中；二甲基咪唑溶液的质量浓度为10mM，是以无水甲醇为溶剂；超声处理混合溶液15min，然后将10mL质量浓度为10mM的Zn(NO₃)₂·6H₂O的无水甲醇溶液倒入该混合溶液中，室温反应2h；反应结束后沉淀离心，用无水甲醇洗涤；经80℃干燥12h，得到固体混合物咪唑有机框架包覆的铜镉硫化物纳米颗粒；

（3）将步骤（2）中的固体混合物置于管式炉中，通入N₂，升温至300～700℃；恒温煅烧2小时，制得氮掺杂碳包覆的铜镉硫化物催化剂；取该催化剂10 mg、去离子水100μL和Nafion溶液200μL，超声处理混合均匀后，涂刷在1cm²的碳布上；然后置于80℃真空烘箱中干燥8小时，制得阴极电极；

（4）取12.3g的Fe (NO₃)₃·9H₂O和12.3g的Ni(NO₃)₂· 6H₂O，倒入50mL去离子水中，搅拌30分钟得到混合溶液；将混合溶液在110℃水浴加热至少30分钟，直至水完全蒸发得到固体；将该固体放在研钵中研磨，然后倒入坩埚中，置于马弗炉中恒温550℃煅烧5小时，得到NiO/Fe₂O₃催化剂；

（5）将20.3g的g-C₃N₄加入25mL无水乙醇中，搅拌后超声处理0.5 h；随后将6g的NiO/Fe₂O₃催化剂倒入该g-C₃N₄溶液中，搅拌24 h形成均匀的悬浮溶液；将悬浮溶液转移到不锈钢高压釜中，在150℃下加热4小时后自然冷却，过滤后在60℃干燥，获得NiO/Fe₂O₃@g- C₃N₄催化剂；取该催化剂50 mg、去离子水300μL和Nafion溶液300μL，超声处理混合均匀后，涂刷在1cm²的碳布上；然后置于60℃真空烘箱中干燥12小时，制得阳极电极；

（6）采用双电槽的反应器，在一侧安装步骤（3）制得的阴极电极，另一侧安装步骤（5）制得的阳极电极；双电槽反应器的中间用砂芯连接用于隔离，整体采用光学玻璃密封；用紫外光灯模拟太阳紫外光照射阳极电极，并将阳极电极和阴极电极连接形成外部电路；

（7）向双电槽反应器的阳极腔中加入去离子水溶液，向阴极腔中加入无水二甲基甲酰胺有机溶液，将CO₂通过微米曝气器导入阴极腔中进行光电还原反应；在阴极腔中，CO₂经光电还原反应后生成甲醇。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤（1）中，制得的铜镉硫化物纳米颗粒的平均直径为70 nm。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤（2）中，沉淀离心时控制转速为10000 rpm，离心处理时间10 min。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤（3）中，管式炉升温速度为5℃/min，制得的氮掺杂碳包覆的铜镉硫化物催化剂的平均直径为370 nm。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤（3）和步骤（5）中，Nafion溶液的质量浓度为10%。