[发明专利]一种用于催化还原二氧化碳的NCQDs/Ru光催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种用于催化还原二氧化碳的NCQDs/Ru光催化剂的制备方法：将柠檬酸和尿素混合研磨，在马弗炉中静态空气下热处理得到多孔固体，然后用去离子水和NaOH溶液将其溶解，并中和至pH=7，得到黄绿色溶液，经离心、冻干后得NCQDs粉末；在反应溶剂中，与Ru络合物先后超声分散，实现NCQDs与Ru的组装构建，得到用于催化还原二氧化碳的NCQDs/Ru光催化剂。本发明无需任何复杂的合成程序，在分子层次上，即可组装构建Ru络合物和NCQD（~2 nm）成为一种新型的准超分子系统，NCQDs/Ru体系组装后在均相系统中成功展现出增强的活性和选择性，用于可见光驱动的CO₂还原为CO。

技术领域

本发明属于光催化材料技术领域，具体涉及一种用于催化还原二氧化碳的NCQDs/Ru光催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

模仿天然植物的光合作用将太阳能和二氧化碳转化为有价值的化学品和燃料被认为是减少我们对传统化石燃料的依赖并减轻全球变暖的有吸引力且可持续的策略之一。过渡金属配合物（TMCs）是一类重要的分子催化剂，具有良好的光物理性质和可调节的配体环境，作为模拟自然界进化的分子光收集系统，可实现高效选择性的CO₂还原。目前，如何有效地收集和利用入射光子是增强TMCs光捕获系统的催化性能的先决条件之一。迄今为止，通过共价偶联的策略，研究人员已经投入了相当大的努力并取得了可喜的进展，其中包括杂化固体分子组装体，如金属有机骨架和多孔配位聚合物系统，以及开发基于过渡金属超分子系统，即在一个系统中集成了带有催化功能单元的光捕获天线。但是，这些策略受到一些固有缺点的制约从而影响了其实际的应用，例如复杂的合成步骤以及过渡金属则具有低自然丰度的特点。因此，开发由高效且具有成本效益的功能化光吸收天线的新型系统显得非常重要。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种用于催化还原二氧化碳的NCQDs/Ru(bpy)₃²⁺(简称NCQDs/Ru）光催化剂，实现了NCQDs作为光收集天线和将受光器和光氧化还原中心集成的分子[Ru(bpy)₃]²⁺过渡金属配合物（简称为Ru）的组装，且该组装过程无需使用任何复杂的合成程序。合成的具有高石墨化度的NCQDs可以诱导与Ru络合物实现有效的空间非共价相互作用。活性测试结构表明，与原始Ru络合物相比，最佳NCQDs/Ru在含水反应体系中，将光化学还原CO₂转化为CO的催化活性提高了3倍以上。

为达此目的，本发明采用以下技术方案 ：

一种用于催化还原二氧化碳的NCQDs/Ru光催化剂的制备方法，包括以下步骤：

（1）NCQDs的制备步骤：用研钵手动将20 g柠檬酸和20 g尿素研磨30分钟，将混合的粉末在马弗炉中静态空气下180 ℃加热处理40 h。然后，用去离子水和NaOH溶液（5 M）将多孔固体溶解。随后缓慢加入的NaOH溶液（5 M）以将酸性NCQDs中和至pH = 7。最后，将所得的黄绿色溶液离心随后冻干以获得NCQDs粉末；

（2）NCQDs与Ru的组装：Ru络合物直接选用商用产品，在反应溶剂中，将制备出的NCQDs粉末和RuRu络合物先后超声分散，即可实现NCQDs与Ru的组装构建，得到用于催化还原二氧化碳的NCQDs/Ru光催化剂。

上述制备的NCQDs/Ru光催化剂用于二氧化碳催化还原性能的测试：