[发明专利]一种复合半导体催化剂及其在二氧化碳还原中的应用

说明书

本发明公开了一种复合半导体催化剂及其在二氧化碳还原中的应用；所述复合半导体催化剂中的高温半导体选自SiC，以Cu‑Ru合金为活性组分，所述催化剂的主要特征是突破当前高温对催化剂温度的影响，将催化剂使用的温度上限提高到300摄氏度以上，在高温下实现半导体的活化，并且扩大了吸光范围；与单一组分的金属负载相比，具有更高的二氧化碳转化效率及太阳能的利用率和二氧化碳转化率，能将二氧化碳转化为更多的高价值的烷烃类产物，太阳能转化率超过了5％，二氧化碳转化率超过11％，具有较强的实际应用前景。

技术领域

本发明涉及光催化领域，具体涉及一种能高效利用光催化将CO₂还原为具有高价值的碳氢化合物的负载铜钌合金的高温半导体催化剂。

背景技术

随着经济社会的发展，人们对能源的需求与日俱增。作为主要能源的化石能源与矿石能源带来了不可避免的环境问题，同时造成了能源危机。化石燃料燃烧排放的CO₂打破了自然界的碳循环平衡，导致大气中CO₂浓度持续增加，温室效应对人类生活的影响越来越突出。为了应对如此严峻的全球性环境与能源问题，2015年12月，《联合国气候变化框架公约》近200个缔约方达成《巴黎协定》。

光催化技术从上世纪开始就已经有了探索，1972年日本学者本多-藤岛发现光催化技术可以用于分解水制氢，从此光催化技术引起了很多研究者的关注。现如今，利用太阳光这种丰富、清洁的可再生能源，以温室气体的主要成分CO₂作为碳源，将CO₂还原为高附加值产物，既能变废为宝，获得清洁能源，又能清除对环境的危害，减小温室效应带来的负面影响。

尽管利用光催化技术还原CO₂已经有很多学者花费很多精力探索，但迄今为止，绝大部分报道的文献光催化反应速率不超过几十到几百μmol·g^-1·h^-1，光催化效率极低，有很大的进步空间。其主要原因是当前采用的光催化剂多为宽带隙半导体催化剂，仅对高能量密度的紫外光有响应；同时，照射到地面的太阳能光谱中，紫外光的含量仅在5％左右，而光催化的量子效率不高于20％，因此光催化的利用效率仅在1％左右。

为了能够提高光催化还原CO₂的效率，很多学者想要开发宽光谱吸收催化剂，将催化剂的吸光范围延伸到可见光区，来获得更多的电子。同时利用更多电子和空穴复合和可见光及红外光带来的热量，提升催化反应的温度，以此来提高CO₂的光催化还原效率。这种同时结合光催化与热催化优点的方法称为光热催化，光热催化条件下催化剂往往能表现出更加优秀的催化效果。因此很多研究者在这方面做了很多尝试，如Ozin等人使用了垂直排列的SiNWs作为In₂O₃(OH)_y基气相光催化剂的活性载体，通过RWGS反应将CO2还原为CO。这些杂化的纳米结构材料比单独使用In₂O₃(OH)_y颗粒能更多地利用太阳光线。Zhang及其同事利用太阳光驱动和加热条件下进行一系列的费托合成反应来考察Co基催化剂性能等等。

随着光热催化体系研究的不断深入，要让催化剂在能量密度变高的环境下依旧能发挥稳定的催化性能，保持较高的CO₂转化率，需要研发新的材料，即高温半导体。传统的半导体材料，如TiO₂(锐钛矿)在高温条件下就会转化为TiO₂(金红石)，这大大降低了催化还原CO₂的活性。类似的材料显然已经不能很好的适用于光热催化的条件。而高温半导体能够解决当前其它半导体材料不耐高温的问题，在高温条件下依旧保持稳定的物理结构和化学性质，将反应温度提高到150℃以上，突破高温对催化反应效果的影响。