[发明专利]一种用于CO2

说明书

本发明为一种用于CO₂还原的半导体/g‑C3N4光催化剂及其制备方法，所述催化剂是由空心球状前驱物煅烧而得，所述制备方法步骤包括纳米半导体粉末的制备，氨基改性半导体的制备，光催化剂前驱物的制备以及半导体/g‑C3N4光催化剂制备。本发明催化剂具有丰富的孔结构以及大的比表面积，具有高光生载流子的转移速率，长载流子存活寿命，强催化活性等优点，特别应用于CO₂与CH₄的光催化反应时，具有较强的催化活性。本发明的光催化剂制备方法工艺简单，易于实现大规模生产。

技术领域

本发明属于光催化领域，具体涉及一种用于CO₂还原的半导体/g-C₃N₄光催化剂及其制备方法。

背景技术

近年来，由于人类活动范围的增加，导致温室效应与能源危机等问题加剧，因此将CO₂转化成具有高位能的能源物质具有十分重要的意义。此外，目前CO₂捕获技术的成熟以及南海可燃冰(固态CH₄)的成功开采，使得CH₄还原CO₂具有十分广阔的应用前景。然而，CO₂与CH₄都是属于化学性质十分稳定的物质，让其相互反应具有一定的难度。目前在研究领域，有三种方法能够催化CH₄与CO₂反应，如热催化，电催化与光催化，其中热催化需要在高温下才能实现反应，能耗较大；电催化的能耗比热催化低，但是后续产物的分离存在困难；而相比之下，光催化能避免热力学不利因素，在常温常压下就能进行催化反应。因此，用光能作为驱动，在光催化剂的催化下，将CO₂和CH₄转化成高位能的物质，具有十分重要的环保意义与能源意义。近年在光催化领域中，g-C₃N₄作为为热门化材料之一，具有许多优点，例如制备过程简单，能被可见光激活，具有类石墨烯的层状结构，丰富的比表面积，并且可以根据分子间的预组装，将其制备成不同形状的g-C₃N₄。

例如Young-Si Jun等人(Young-Si Jun et al.Adv.Funct.Mater.2013,23,3661–3667)提出了用溶解于二甲亚砜(DMSO)溶液中的三聚氰酸与三聚氰胺制备出球状的前驱物CN-C，再经过进一步的煅烧制备成具有非常大的比表面积的球状g-C₃N₄，其在光降解的实验中表现出十分优异的性能。

然而，由于单一的g-C₃N₄具有光生载流子易复合，催化活性不高等缺点。因此，本发明在制备球状 CN-C的基础上，针对光利用率不高的等缺点，通过对半导体纳米粒子进行多次改性，最终成功的将半导体纳米粒子引入其中，制备成球状半导体/CNC复合前驱物。该前驱物不仅保持着原有的球形结构，而且其球体直径得到扩大。将其煅烧后形成半导体/g-C₃N₄复合光催化剂，弥补了原本单一g-C₃N₄催化剂的光生载流子易复合，催化活性不高等缺点。在光催化性能测试实验中，将其用于常温下光催化CO₂与CH₄的反应，具有十分显著的催化效果，其每小时每克催化剂所产CO的量(TOF值)是由CN-C煅烧后制备的g-C₃N₄的两倍多，是普通制备的bulkg-C₃N₄的4倍多。

发明内容

本发明解决的技术问题是，通过设计的催化剂制备路线，提供一种半导体/g-C₃N₄光催化剂，该复合型催化剂具有丰富的孔结构与大的比表面积，能够提高光生载流子的转移速率，延长其存活寿命，增加催化活性，该制备方法廉价，操作简单，适合大规模生产。

本发明采用的技术方案为：