[发明专利]一种高活性电化学自掺杂TiO2

说明书

本发明公开了一种高活性电化学自掺杂TiO₂纳米管基材料及其制备与应用，属于气相光电催化材料领域。通过对TiO₂纳米管进行还原增加Ti³⁺和氧空位缺陷，从而大幅度提升其导电性能，并采用方波脉冲沉积方法将金属进一步负载，增加材料表面活性位点以及减小光生电子‑空穴复合，得到一种兼具导电性和催化活性TiO₂纳米管基材料。该材料用于构建气相光电催化体系，将CO₂还原为烷烃类能源物质，通过施加微小电压，强制将光生载流子分离，相比光催化表现出更高的光生电子‑空穴分离效率和催化活性，克服了传统液相光电催化需外加电解质、CO₂溶解度低、产物难以分离等缺点，且其生成产物均为气态烷烃类碳氢化合物及氧气混合物，易于分离。

技术领域

本发明属于气相光电催化材料领域，更具体地，涉及一种高活性电化学自掺杂TiO₂纳米管基材料及其制备与应用。

背景技术

目前大气中CO₂浓度约为400ppm左右，如果不限制其排放，预计至 2100年将高达1000ppm以上，这将导致地球海平面和平均气温同步上升。因此，人类迫切需要开发能够降低大气中CO₂浓度的先进技术，将CO₂转化为各种有用的高价值产品来实现“闭环”碳循环过程。但是，要完全实现这一目标，在活化过程中需要有效吸附CO₂并输入足够的能量。

采用异相光催化还原CO₂是一种行之有效的技术，因为它具备将太阳能直接转化为高价值产品的能力。在众多光催化剂中，TiO₂由于其合适的能带结构和高效的光电性能而被广泛用于光催化还原CO₂。不仅能够还原 CO₂，还可同时氧化H₂O产生O₂，这实际上对于将二氧化碳转化为燃料分子至关重要。尽管如此，TiO₂表面仍难以与CO₂建立有效的化学吸附，导致还原CO₂反应的活化能高，反应速率慢。此外，由于光源的利用率低和光生电子-空穴对的快速复合，TiO₂的光催化性能也受到严重限制。

与TiO₂纳米颗粒相比，TiO₂纳米管的电导率提升约2个数量级，其高度有序的一维结构为光生电子的传递提供了通道，以及更好的导电性加快了电荷的转移，光生电子-空穴对的复合速率明显低于TiO₂颗粒，约为后者的1/8。金属作为电子捕获剂，从TiO₂的导带将光生电子富集，该过程使 TiO₂的光生电子-空穴的复合几率明显降低，能有效地提高其光催化活性。

目前常用的光催化CO₂还原体系有两种，为光催化和光电催化体系。由于光生电子与空穴易于复合，还原CO₂的电位过高，材料自身稳定性不足等原因，导致光催化还原CO₂的产量及光利用率都非常低。传统液相光电催化虽促进了整体光生载流子的分离，但电解质溶液中溶解的CO₂含量较低，产物分离困难，实用性较差。然而在气相光电催化体系中，CO₂能够充分与催化剂表面接触，且浓度容易调控，所产生的燃料物质和氧气可以直接分离，所以气相光电催化技术更适用于CO₂还原的实际应用。

基于TiO₂纳米管稳定、无毒、无二次污染、耐光腐蚀、光催化活性高且制备成本低廉等优点，已广泛应用与光催化和液相光电催化。然而，由于TiO₂纳米管导电性差，其在气相光电催化的性能始终达不到实际生产的标准。

发明内容