[发明专利]一种无牺牲剂的光催化产双氧水方法

说明书

本发明属于光催化技术领域，具体涉及一种无牺牲剂的光催化产双氧水方法，本发明利用水热碳作为光催化剂，将其分散在水中后通入氧气并使氧气保持在饱和状态，再通过可见光源照射即可得到双氧水，本发明方法简单，相比于传统的蒽醌法，不需要大型设备、贵金属催化剂和氢源；相比于电催化原位产双氧水法，不需要用到电解质；相比于现有的光催化方法，不需要醇类等牺牲剂，在纯水中即可制备双氧水，有利于双氧水的后期分离与收集。本发明能够在纯净水中实现产H₂O₂代替液体燃料，具有巨大的经济价值和广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于光催化技术领域，具体涉及一种无牺牲剂的光催化产双氧水方法。

背景技术

双氧水作为一种常见的环保氧化剂，已广泛应用于许多领域，例如废水处理和消毒，有机合成以及纸浆和造纸工业等。目前，双氧水的全球产量已达到每年约550万吨。近年来，双氧水更是成为了化石燃料最具有前途的替代品之一，引起了越来越多的关注。由于化石燃料可以在小型无膜的燃料电池中用作易于处理的清洁液体燃料。因此，迫切需要以可持续性的方式大规模生产双氧水。当前，商业上的双氧水通常是通过传统的蒽醌法生产的。然而，这种方法需要复杂的大型设备、贵金属催化剂和氢源，而且在多步加氢和氧化反应中的能耗高，以及在蒽醌氧化过程中会产生大量的废水、废气和固体废物。此外，此方法所产生的双氧水在使用前还必须进行萃取和纯化。此外，电催化水氧化法为原位生产双氧水提供了一个有效的途径，其具有操作安全、可实现更高的电流密度、合成的过氧化氢溶液无杂质、纯度高等优点。但电化学法的转化率和选择性仍不理想，目前缺乏具有高催化性能且低成本的电催化剂，还无法取代现行蒽醌法制备双氧水的工艺。

光催化技术是一种利用太阳能、氧气和水进行绿色可持续性合成双氧水的方法。此外，它还可以实现双氧水的原位应用，迄今为止，已经研究了多种用于合成双氧水的光催化剂，其中，TiO₂和石墨氮化碳g-C₃N₄是研究得最深入的两种材料。例如中国专利文献CN107126971A公开了一种用于光催化生产H₂O₂的CoP/g-C₃N₄复合光催化剂的制备方法，其中所述方法使用乙醇作为牺牲剂。最近，还涌现了其他基于金属的半导体用作双氧水合成的光催化剂，例如中国专利文献CN 103170368 B报道了铬、银或铟离子与三聚硫氰酸组成的有机配聚物光催化剂，在用甲醇作牺牲剂的体系中光催化还原O₂产H₂O₂。然而，现有的光催化剂材料强烈依赖于空穴牺牲剂，这导致双氧水的合成成本急剧增加，且不方便分离双氧水。此外，现在用于合成双氧水的光催化剂大多需要紫外光辅助。如中国文献CN 111517276A报道了利用TiO₂和贵金属纳米粒子助催化剂的复合物光催化制备H₂O₂，该方法需要紫外辐射来合成双氧水。由于紫外线仅占太阳光谱的4％，利用太阳能的关键是最大程度的利用可见光和红外光。因此，在纯水中利用可见光光催化合成双氧水具有重要的意义。

水热碳(HTCC)是通过对生物质(杂草，牛粪，大米，向日葵，纤维素，葡萄糖等)进行水热处理后而获得的一种碳基材料。有研究发现，HTCC具有半导体特性，可用于光催化。这是由于HTCC中呋喃的sp²共轭杂化结构衍生而来的。在可见光照射下，它可以充当光催化剂，产生电子-空穴对用于氧化还原反应。HTTC作为一种不含金属的材料，在环境治理中已得到了应用，包括光催化还原Cr(VI)，染料的降解和消毒等。但目前尚未有利用水热碳在纯水中光催化生产双氧水的报道。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提出了一种无牺牲剂的光催化产双氧水方法，利用水热碳材料作为光催化剂，原位催化水产生H₂O₂，不需要使用任何牺牲剂，具有极大的应用前景。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：