[发明专利]一种镍/碳化钛光热催化材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供一种镍/碳化钛光热催化材料及其制备方法和应用，所述方法包括如下步骤：步骤1，将Tisubgt;3/subgt;AlCsubgt;2/subgt;用HF溶液进行刻蚀，之后将所得产物分离后干燥、研磨，得到多层Tisubgt;3/subgt;Csubgt;2/subgt;；步骤2，将镍源与多层Tisubgt;3/subgt;Csubgt;2/subgt;按照摩尔比为(0.02～0.62)：1的比例混合均匀于去离子水中，得到前驱液；步骤3，将前驱液在140～220℃下进行水热反应，之后将所得反应液中的产物分离后干燥，得到镍/碳化钛光热催化材料，将活性金属镍负载到光致热基体Tisubgt;3/subgt;Csubgt;2/subgt;表面，可应用于光热二氧化碳加氢，实现了甲烷的高选择性。

技术领域

本发明属于功能材料领域，具体为一种镍/碳化钛光热催化材料及其制备方法和应用。

背景技术

CO₂减排技术总是需要足够的能量投入和适当的催化剂，根据能量输入的形式(即热、电、辐射)，CO₂减排一般分为热催化反应、电催化反应和光催化反应。热催化CO₂还原的能量成本较高，产物选择性不可控，而电催化或光催化CO₂还原的转化率仍然很低。因此，将两种能量形式整合到一个反应过程中是一种很有前景的CO₂减排方案。随着进一步的研探索，光热还原CO₂被认为是一种有前景的技术，通过光热催化将CO₂转化为燃料和原料化学品，为有效利用太阳能解决全球能源短缺和气候变化提供了希望。厄津、张铁锐和叶金花的研究表明，太阳能和热能耦合可以有效调节CO₂还原的活性和/或选择性，为利用丰富的太阳能减排CO₂开辟了一条新途径。

对于半导体材料光热耦合还原CO₂的催化反应，其控制因素主要包括吸光性能、载流子分离和迁移能力、分子活化程度以及非热效应影响力的大小，现阶段的主要形式有光致热耦合和外加热的光热耦合。合理设计反应装置的结构可以分别实现两种催化反应的耦合。前者的重点在材料自身属性，往往是材料的特性引发的连锁反应，其不同特性引起的耦合机理在文献报道中众说纷纭。很多半导体材料具有光致载流子分离效果以及光照射下的光热转换，却因为吸光效果差、载流子分离效果不佳，影响光热转换而无法高效应用在光热催化体系中。于是，对材料改性使其具有吸收更宽光谱范围的特性，进一步在材料表面产生局部热点推动光热协同反应。后者的重点在活化反应物和中间产物，其催化过程和机理偏向于传统热催化。使用的材料多是功能性复合而成，且基体材料往往具有较好的导热性能，与高活性粒子配合产生耦合催化反应，其特点是催化剂表面温度相对均匀，催化效率更高。

目前的光热材料的制备策略主要有三种：(1)依赖贵金属来解离H₂，进一步产生质子加速反应，如Pt/Al₂O₃；(2)通过提高光吸收，利用红外光实现光致加热效应，产生局部热点加速热催化过程，如Bi₂O_3-x；(3)将活性粒子高度分散在较大比表面积的基体上，充分暴露活性粒子，如Ru/硅纳米线。周莹的工作表明表面氧空位引起的等离子体效应(LSPR)是光致热耦合的重要原因。LSPR效应主要发生在红外光和紫外光波段，不同波段的光有不同频率，当光的频率和材料表面空位产生的还原电子震动频率一致时共振发生，产生大量热能促进CO₂活化。由此可见，光致热耦合催化的基本过程是材料由于自身属性充分捕获光，在材料表面产生局部或者整体发热，同时吸附在材料表面的CO₂被活化，C＝O键发生弯曲与还原电子和还原剂发生一系列反应，最后产物从材料表面脱附。中间的关键步骤是产热量，这和催化剂材料对光转化和利用率有关。