[发明专利]一种铬氧化物负载的二氧化钛光催化剂、其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种具有优异二氧化碳还原性能的铬氧化物负载的二氧化钛光催化剂的制备方法，包括：水热法制备二氧化钛纳米片；将所述二氧化钛纳米片分散于水中，得到二氧化钛悬浮液；将铬酸钾水溶液与二氧化钛悬浮液混合，超声分散，得到铬前驱体溶液；将铬前驱体溶液进行可见光沉积，光沉积结束后，清洗、冷冻、干燥后得到铬氧化物负载的二氧化钛光催化剂。本发明首先通过经典水热法来制备主催化剂锐钛矿型二氧化钛纳米片，然后通过可见光沉积方法制备铬氧化物助催化剂负载的二氧化钛光催化剂。其光催化还原二氧化碳生成甲烷的速率为0.42μmol h^‑1，且甲烷的选择性高达98％。本发明合成方法简单，有利于在工业化生产中推广应用。

技术领域

本发明涉及催化剂材料技术领域，尤其是涉及一种铬氧化物负载的二氧化钛光催化剂、其制备方法和应用。

背景技术

当今社会面临的能源危机和环境污染两大问题已经严重制约着人类社会的发展。一方面，社会的不断发展使得人类对于能源的需求越来越大，而煤炭、石油、天然气等化石燃料储量有限且不可再生，终将消耗殆尽。另一方面，传统化石燃料的燃烧难以避免地引起一系列的环境问题。比如，二氧化碳等温室气体的排放加剧了温室效应；二氧化硫、二氧化氮、可吸入颗粒物等引起酸雨、光化学烟雾等，进而对人类的生存环境产生严重威胁。因此，亟待发展可持续清洁能源的利用和转化过程。

光催化还原二氧化碳就是利用丰富的太阳能将温室气体二氧化碳转化为有价值的太阳能燃料(如甲烷、甲醇、甲醛，甚至是高碳化合物)的过程，对于人类社会的长远发展具有重要意义。二氧化钛(TiO₂)是研究最广泛的光催化剂之一，但由于其载流子复合严重，且仅对太阳光谱中占比不足5％的紫外光响应，导致纯TiO₂的能量转换效率较低。此外，光催化二氧化碳还原是一个涉及多步电子转移的反应过程，还原产物复杂多样，这导致产物选择性很低。负载助催化剂被认为是解决上述问题最有效的策略之一。它通常起着促进载流子分离、加速表面反应动力学、抑制逆/副反应等重要作用。现有技术中，对于宽禁带的半导体光催化剂进行光沉积负载助催化剂时，往往需要使用能量大于或等于其禁带宽度的紫外光进行辐照。本发明中，提出的可见光负载助催化剂的方法，更加节能、经济。

对于铬或其氧化物修饰一些半导体的研究，已经有文献报道其作为助催化剂可增强其光吸收、抑制光生载流子的复合，进而提高催化性能(Corros.Sci.,2013,68,101；Chem.Commun.,2019,55,6305)。日本的Domen课题组已经证明Cr₂O₃与贵金属Rh形成核壳结构作为助催化剂可以促进水的全分解(Angew.Chem.Int.Ed.,2006,45,7806；J.Phys.Chem.C,2009,113,10151；Energy Environ.Sci.,2010,3,471)。近年来类似的核壳结构也应用于CO₂还原领域(ACS Catal.,2015,5,5342；ACS Sustainable Chem.Eng.,2019,7,2083；J.Phys.Chem.C,2019,123,2894)。但上述核壳结构需要精准控制铬氧化物与贵金属的比例，负载过程较为复杂，增大了其工业应用的难度和成本。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种铬氧化物负载的二氧化钛光催化剂的制备方法，本发明制备的催化剂催化活性和选择性高，成本低，无需贵金属的使用。

本发明提供了一种铬氧化物负载的二氧化钛光催化剂的制备方法，包括：

A)水热法制备二氧化钛纳米片；

B)将所述二氧化钛纳米片分散于水中，得到二氧化钛悬浮液；将铬酸钾水溶液与二氧化钛悬浮液混合，超声分散，得到铬前驱体溶液；

C)将铬前驱体溶液进行可见光沉积，光沉积结束后，清洗、冷冻、干燥后得到铬氧化物负载的二氧化钛光催化剂。

优选的，所述水热法制备二氧化钛纳米片具体为：