[发明专利]一种用于光热催化净化VOCs的Co-MOF衍生物光热催化剂及制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种用于光热催化净化VOCs的Co‑MOF衍生物光热催化剂及制备方法与应用。该方法包括：(1)以吡啶‑3,5‑二羧酸、硝酸钴和氢氧化钠为原料，通过室温搅拌法制备Co‑MOFs；(2)将所述Co‑MOFs在N₂惰性气氛下热解得Co/CoO_x/NC光热催化剂。本发明所制备的光热催化剂可同时吸收全光谱并转化成热能，从而诱发光热催化净化VOCs的反应。由于等离子体金属Co、CoO_x和多孔碳的耦合增强光热效应，光热催化剂在太阳光的照射下，表现出高效VOCs氧化性能，且稳定性好。本发明工艺简单可行，催化效率高，催化过程能耗低，直接利用太阳能作为光和热的来源，在环境能源领域具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明属于环境功能材料技术领域，具体涉及一种用于光热催化净化VOCs的Co-MOF衍生物光热催化剂及制备方法与应用。

背景技术

挥发性有机化合物(VOCs)是导致大气污染的重要前驱物，能参与大气光化学反应，导致大气环境中臭氧、光化学烟雾、二次气溶胶的形成，严重危害人类健康和社会的可持续发展，因此受到了广泛关注。目前，传统的热催化虽然去除VOCs效率高，但是其主要依靠电能来提供工作温度，能耗巨大。光催化技术是一种利用清洁太阳能驱动降解污染物的技术，但其光能利用率较低，氧化不彻底，这极大的限制其广泛的实际应用。因此，亟须开发一种将热催化的高降解效率和光催化的低能耗完美结合的绿色技术，来实现绿色低能耗的VOCs 治理。

近年来，新兴的光热催化氧化是一种利用太阳能的存储转化驱动催化反应来高效净化VOCs的技术。它不再受光谱范围的限制，可有效利用全光谱能量，特别对红外光的利用，同时无需二次能源投入即可以获得与热催化相当的高效耐用的催化性能。但是，目前大多数光热催化剂太阳光吸收光谱窄、光热转换效率低，其催化效率与传统的热催化和光催技术相比较仍不理想。因此，开发高活性及高全光谱光吸收能力的光热催化剂，提高光热转换效率，实现VOCs高效降解成为挑战。此外，由于贵金属基催化剂的高成本，人们越来越关注具有成本效益的过渡金属催化剂。过渡金属具有强烈的局域表面等离子体共振(LSPR)效应，可在太阳光辐照下驱动氧化还原反应。而以 MOFs(金属有机骨架)为前驱体获得的碳基MOFs衍生物多孔材料不仅具有高的气体吸附能力，还具有全光谱吸光能力及增强的化学稳定性而受到关注。

鉴于此，本发明首先通过将以吡啶-3,5-二羧酸、硝酸钴和氢氧化钠为原料，通过室温搅拌自组装法制备Co-MOFs；然后再将Co-MOFs 在N₂惰性气氛下热解得到Co、CoO_x、N掺杂的C组成的复合材料(命名为Co/CoO_x/NC)。这种Co/CoO_x/NC材料具有独特的混合界面结构，使等离子体金属Co、CoO_x与N原子掺杂的C之间具有强的相互作用，可使其吸光范围拓展到红外区域，因此可有效解决光热催化的目前光热催化剂太阳光吸收光谱窄、光热转换效率低等关键难题。于此同时该材料高分散的Co-N-C位点，易于将VOCs分子吸附富集到材料的活性位点，实现高效的吸附-催化一体化。本发明为高效太阳能驱动环境净化催化剂的制备和大气污染控制等领域提供了新的思路。

发明内容

本发明的目的在于克服光热催化剂太阳光吸收光谱窄、光热转换效率低等问题，提供一种光吸收能力、高活性及结构可控的 Co/CoO_x/NC光热催化剂的制备方法和应用。所制得的光热催化剂较原始的Co-MOFs的太阳光吸收能力、光热转换效率、催化活性、催化稳定性等性能显著提高。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：