[发明专利]氮掺杂碳包覆铜镉硫化物催化剂光电还原CO2

说明书

本发明涉及CO₂的转化利用技术，旨在提供一种氮掺杂碳包覆铜镉硫化物催化剂光电还原CO₂方法。该方法包括：在双电槽的反应器一侧安装以氮掺杂碳包覆的铜镉硫化物催化剂制得的阴极电极，另一侧安装以NiO/Fe₂O₃@g‑C₃N₄催化剂制得的阳极电极；阳极腔中加入去离子水溶液，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。本发明中，光阳极催化剂NiO/Fe₂O₃@g‑C₃N₄协同电阴极催化剂氮掺杂碳包覆铜镉硫化物纳米颗粒，能够高效催化还原CO₂促进生成液体甲醇燃料产物。与单纯的氮掺杂碳催化剂或者铜镉硫化物纳米颗粒催化剂相比，还原CO₂反应中对甲醇产物的选择性能提高60％以上。

技术领域

本发明是关于温室气体CO₂的转化利用技术，特别涉及氮掺杂碳包覆铜镉硫化物催化剂光电还原CO₂方法。

背景技术

化石燃料的广泛应用造成了许多环境问题，特别是增加了温室气体CO₂排放，如何将CO₂回收利用转化为具有经济价值的碳氢化合物受到广泛关注。除了传统的热化学循环方法外，采用光电化学(PEC)系统被认为是解决CO₂高效转化问题的一个很有前途方法。但是由于CO₂分子的热力学稳定性，CO₂很难转化为多电子转移产物，在CO₂还原过程中需要较高的过电位，因此开发高效的光电催化剂将CO₂还原为具有高选择性和低过电位的液体醇类化工品成为研究热点。

近年来许多学者致力于研究改进电化学还原CO₂的关键催化剂，其中备受关注的过渡金属硫化物具有价态复杂、电化学性能优异、化学稳定性高等优点，故可用作还原 CO₂的高效催化剂。但是过渡金属硫化物存在催化效率低、电导率低等问题导致其难以产业化。最近有文献报道硫空位不仅可以改善材料表面的电子结构，而且可以降低反应能垒，故有望解决这上述难题。Binhao Qin等制备了硫化镉与碳纳米管复合材料用于 CO₂还原反应，将碳纳米管用作导电催化剂载体提高了催化性能，得到CO还原反应的法拉第效率高达95％，但是还原产物中缺乏令人期待的醇类化工品。

咪唑有机框架作为一种新材料具有沸石类三维拓扑结构、金属离子含量高、碳氮配体丰富等优点，故在许多方面性能优于碳纳米管。是否有可能采用热解法构建核壳结构纳米颗粒的氮掺杂碳材料包裹的铜镉硫化物催化剂、从而有效提高CO₂转化为液体醇类燃料的产物选择性，这个令人十分感兴趣的技术方向具有转化利用CO₂生产高值化工品的很强应用前景，但是这方面研究尚没有文献报道。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种氮掺杂碳包覆铜镉硫化物催化剂光电还原CO₂方法。

为解决上述技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种氮掺杂碳包覆铜镉硫化物催化剂光电还原CO₂方法，包括下述步骤：

(1)按照3.5mmol∶3.5mmol∶7.0mmol∶7.0mmol∶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；