[发明专利]一种碳化铁复合一氧化钛的纳米颗粒光热催化剂及其制备

说明书

本发明涉及一种碳化铁复合一氧化钛的纳米颗粒光热催化剂及其制备，首先将P25，PAN，DMF，硝酸铁混合后烘干，在氨气氛围下800～850℃煅烧4小时，取出样品后研磨成粉末，得到碳化铁复合一氧化钛的纳米颗粒光热催化剂，其具有宽的光吸收范围，高产甲烷性能，低电阻率，快速转移载流子的能力，高光生载流子分离能力，低载流子重组率，以及良好的二氧化碳还原高循环稳定性等特点，其用于光热催化二氧化碳还原甲烷，速率最高可达37.67μmol·g^‑1·h^‑1。其制备方法具有操作简单，成本低廉，所用原材料无毒，符合环保理念的生产。

技术领域

本发明属于光催化材料技术领域，涉及一种碳化铁复合一氧化钛的纳米颗粒光热催化剂及其制备。

背景技术

随着全球人口数量和世界经济的快速发展，人类对于化石能源的需求也随之日益增长。但是石油，煤，天然气等化石燃料的日益枯竭，以及全球温室效应导致的气候变化，发展可再生的清洁能源迫在眉睫。化学还原是地球碳循环的关键过程，是未来太阳能捕获和存储技术的发展方向。光合作用将二氧化碳转化为碳水化合物，维持了地球上几乎所有的生命。受此启发，研究人员试图开发光合模拟系统，将二氧化碳还原为燃料和有价值的化学原料。然而，限制现阶段光催化CO₂取决于三个主要因素：(1)光催化剂吸收更宽光谱的太阳能；(2)光生载流子(电子-空穴对)的有效分离和转移；(3)光催化剂表面有效的催化氧化还原反应。Ti基材料是目前光催化领域研究最多的催化材料。自1972年Honda和Fujishima等人发现了光催化TiO₂单晶电极光解水后，大量的Ti基材料被广泛研究。但是，由于传统的TiO2光催化剂不能吸收可见光乃至近红外光，并且由于TiO₂的导带电位过低(-0.1eVvsNHE)，远远不能满足CO₂还原为CO(-0.52eV vs NHE)或者CH₄(-0.24eV vs NHE)的电位，因此对于改性Ti基类材料用于还原CO₂是很有必要的。通常情况下，采用四种典型的策略来改善其催化能力：(1)利用贵金属/非贵金属掺杂半导体；(2)将两种不同的半导体复合，形成多带隙材料；(3)暴露出催化反应的最佳晶面用于提高反应效率；(4)采用低价态Ti氧化物/氮化物构建出氧空位来提升光催化性能。

然而仅仅利用光的能量去激发出光生电子-空穴对，对于能量的利用是很低的，在光照的整个过程中，大部分的光能会转化为热能，而大部分的热能又会由于反应而散发殆尽，这对于太阳光的整体利用率是很低的。近期，大量的科研人员开始进行光热催化的研究以达到太阳光的最大利用效率。费托合成法(FTS)将来自化石燃料或生物质原料的一氧化碳转化为有价值的碳氢化合物和含氧化合物，而工业上使用FTS已超过50年。在FTS中，最常用的催化剂是VIIIB族过渡金属，尤其是铁，钴，镍和钌。这些催化剂的CO加氢活性和产物选择性不同，这些金属中的几种经常一起使用(以合金形式)以实现高CO转化率或增强对特定产物或一组产物的选择性。铁基催化剂在FTS期间对轻烯烃表现出良好的初始选择性。在FTS期间，金属铁在反应过程中逐渐转变为碳化铁(这被认为是铁基FTS催化剂的真正活性相)。碳化铁具有相对温和的加氢能力和促进C-C偶联反应的能力。

发明内容

本发明目的之一是为了解决上述的传统Ti基材料作为光催化材料存在的有限吸光范围、表面活性位点少、光生载流子极易重组、导带位置低等所引发的光催化二氧化碳还原性能差的技术问题而提供了一种碳化铁复合一氧化钛的纳米颗粒光热催化剂，该催化剂具有吸光范围广、吸光范围为全光谱、载流子不易重组等优点，在λ420nm的模拟太阳光照射下，产甲烷速率最高可达到37.67μmol·h^-1·g^-1。

本发明的目的之二是提供上述的一种碳化铁复合一氧化钛的纳米颗粒光热催化剂的制备方法，该制备方法由于原材料易获得、操作简单、实验条件易达到，因此具有制备成本低、可批量生产等优点。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：