[发明专利]利用石墨烯和TiO2纳米管光电催化还原CO2的方法

摘要

本发明涉及温室气体CO₂的资源化利用技术，旨在提供利用石墨烯和TiO₂纳米管光电催化还原CO₂的方法。该利用石墨烯和TiO₂纳米管光电催化还原CO₂的方法包括步骤：制备阴极电极、制备掺铂的二氧化钛纳米管、将掺铂的二氧化钛纳米管和阴极电极分别贴在Nafion质子交换膜的两侧压制成膜、制备反应体系，并将CO₂通入到反应体系中进行反应，得到气相反应产物和液相反应产物。本发明将新型纳米材料掺Pt石墨烯负载于泡沫镍上作为电阴极，同时使用TiO₂纳米管阵列作为光照阳极，在双室反应器中成功地将CO₂还原为乙醇和乙酸等化工品。

主权项

利用石墨烯和TiO₂纳米管光电催化还原CO₂的方法，其特征在于，具体包括下述步骤：（1）取10～50g石墨粉与5～25g硝酸钠混合置于230～1150ml浓硫酸里，然后在0摄氏度冰浴中进行搅拌，搅拌过程中加入30～150g高锰酸钾，混合充分后得到混合液A，将混合液A转移到35摄氏度油浴中保持30～150分钟；再向混合液A中加入去离子水稀释至1.4～7.0L，并加入1.4～7.0L质量浓度为3%的双氧水氧化处理后得到悬浊液；将300～500mL质量浓度为5%的HCl溶液，加入到悬浊液中清洗3～5遍，然后用压力泵在真空下，抽滤悬浊液10min后得到滤出物A，在85℃下将滤出物A干燥24h，得到氧化石墨烯；（2）取0.8～5g步骤（1）中制得的氧化石墨烯与200～1000ml乙二醇混合，再加入0.014～0.07g的H₂PtCl₆·6H₂O与55～275ml的去离子水，得到混合液B，然后搅拌混合液B2小时后，再超声处理1小时；将超声处理后的混合液B转移到钢制反应釜中，在120℃下还原24小时后取出混合液B，用压力泵在真空下对混合液B抽滤10min后，得到滤出物B，用乙醇清洗滤出物B，再使用冷冻干燥机干燥滤出物B，即制得掺铂石墨烯；取60～300mg制得的掺铂石墨烯、200～1000μL去离子水、250～1250μL Nafion溶液，均匀混合后，涂刷在平面的泡沫镍上，再将泡沫镍在85℃下干燥24h，即制得阴极电极；（3）取钛片，用混合溶液C除去钛片表面的氧化膜及污垢，再分别用异丙醇溶液和无水乙醇溶液，将钛片在250W功率下超声处理15～30min，然后将处理结束后的钛片取出自然阴干；所述混合溶液C是指质量分数为40%氢氟酸溶液与质量分数为70%硝酸溶液，以1:1的体积比混合得到的溶液；（4）以步骤（3）中阴干的钛片为阳极，取Pt电极为阴极，以400ml乙二醇和氟化铵的混合有机溶液为电解液，施加50V的恒定偏压，电解180分钟，即得到TiO₂纳米管；然后以1～5g/L的H₂PtCl₆·6H₂O水溶液为电解液，以制得的TiO₂纳米管为阴极，取Ni片为阳极，在2.5mA/cm²恒电流下完成对TiO₂纳米管的Pt掺杂，即制得掺铂的二氧化钛纳米管；将制得的掺铂的二氧化钛纳米管作为阳极电极，并将阳极电极与步骤（2）制得的阴极电极分别贴在Nafion质子交换膜的两侧，然后用热压机在温度120℃、压力2MPa、时间30s条件下压制成膜；（5）反应体系制备：用有机玻璃制成一个空腔室，将步骤（4）中压制好的膜放置在空腔室当中，接触阳极的一侧为阳极室，接触阴极的一侧为阴极室；利用步骤（4）中制备的掺铂的二氧化钛纳米管作为阳极，利用步骤（2）中制备的以泡沫镍为载体的掺铂石墨烯作为阴极；用氙灯365nm的准单色波段光照射阳极，并向阳极室中加入去离子水，阴极室中加入电解液，所述电解液采用碳酸氢钠溶液、碳酸氢钾溶液或者硫酸钠溶液中的任意一种溶液作为电解液，且电解液的pH值为7.5～10，CO₂被通入到阴极室中进行电化学还原反应；（6）通过恒电位仪提供给步骤（5）中制得的反应体系中的阴极和阳极1.4～2.6V的偏压，然后反应5～10h，得到气相反应产物和液相反应产物。