一种核壳结构还原二氧化碳光催化剂及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种核壳结构还原二氧化碳光催化剂及其制备方法与应用，该制备方法包括：(1)将3D蜂窝状的氮掺杂石墨碳框架的碳材料和含铜化合物溶于去离子水中，在室温下进行磁搅拌，将混合物保持在80

【技术实现步骤摘要】
一种核壳结构还原二氧化碳光催化剂及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于光催化领域，具体是涉及一种通过简单的聚合物热处理方法制备二氧化碳(CO2)催化剂的方法，尤其涉及一种核壳结构还原二氧化碳光催化剂的制备方法与应用。

技术介绍

[0002]二氧化碳(CO2)是导致全球变暖的温室气体的主要来源之一。化石燃料的燃烧和大范围的森林砍伐显着增加了大气中二氧化碳的含量。因此，除了控制CO2的产生外，材料科学家也在开发更积极的策略，例如CO2捕获、封存(CCS)及利用。其中，光催化还原CO2被认为是一种同时减少温室效应和实现太阳能转化为燃料的有吸引力的方法。同时，它正在减少与化石燃料燃烧相关的CO2排放，并生产有价值的产品作为燃料或原材料(C1：CO、CH4、HCOOH和C2：乙烯、乙醇等)以部分满足能源需求，释放部分环境负担，以解决全球变暖和替代能源需求的全球性挑战。
[0003]氧化亚铜(Cu2O)是一种廉价、无毒、易于制备的材料，在太阳能电池、光催化、锂离子电池、气体传感器等方面有着广泛的应用。作为一种直接带隙半导体材料，其带隙宽度约为1.9
‑
2.2eV，能够吸收大部分的可见光，被认为是一种很有潜力的光催化还原CO2的催化剂。
[0004]近年来，氧化亚铜(Cu2O)是作为光催化CO2还原反应(CO2RR)的潜在催化剂之一。然而，原始的Cu2O纳米晶容易聚集，导电性差，阻碍了Cu2O光催化性能的提高。因此，寻找一种有效的策略来增强Cu2O的导电性和稳定性进而提高其光催化性能是非常重要的。Cu2O与其它半导体结合形成异质结构是提高Cu2O催化性能的有效途径之一。

技术实现思路

[0005]本专利技术目的在于提供一种通过简单的聚合物热处理方法制备二氧化碳(CO2)催化剂的方法，既能降低大气中的CO2，同时又能够在可见光的条件下使得CO2转化为CO和CH4的可利用的能源。
[0006]本专利技术的另一目的在于提供一种核壳的Cu和Cu2O嵌入3D蜂窝状的氮掺杂石墨碳框架复合材料。
[0007]本专利技术的再一目的在于提供上述核壳的Cu和Cu2O嵌入3D蜂窝状的氮掺杂石墨碳框架复合材料在光催化还原二氧化碳的应用。
[0008]本专利技术目的通过以下技术方案实现：
[0009]一种用于核壳结构还原二氧化碳光催化剂的制备方法，包括以下步骤：
[0010](1)将含铜化合物和3D蜂窝状的氮掺杂石墨碳框架的碳材料溶于去离子水中，在室温下进行磁搅拌，将混合物保持在80
‑
100℃搅拌干燥，形成淡蓝色的粉末，从而获得Cu和Cu2O纳米颗粒嵌入3D蜂窝状的氮掺杂石墨碳框架复合材料的前驱体。
[0011](2)将步骤(1)中干燥后的样品在惰性气体保护下于管式炉中煅烧，升温至500～
700℃，恒温0.5～2h，升温速率1～10℃/min，得到Cu和Cu2O嵌入3D蜂窝状的氮掺杂石墨碳框架复合材料；
[0012]进一步，所述含铜化合物为醋酸铜或硝酸铜的任意一种，优选为硝酸铜。
[0013]进一步，所述3D蜂窝状的氮掺杂石墨碳框架的碳材料为三聚氰胺、石墨烯、石墨碳、尿素和聚乙烯吡咯烷酮中的任意一种，优选地，所述的蜂窝状的孔氮掺杂石墨碳框架的碳材料为聚乙烯吡咯烷酮。
[0014]进一步，所述硝酸铜与聚乙烯吡咯烷酮的质量比为4：1，3：2，1：4，优选为3：2。
[0015]进一步，所述惰性气体为氮气或氩气中的任意一种，优选为氮气。
[0016]优选地，所述升温速率为5℃/min，煅烧温度为500℃，恒温时间为1h。
[0017]上述制备的核壳结构还原二氧化碳光催化剂复合材料可以用于光催化还原二氧化碳。
[0018]一种核壳结构还原二氧化碳光催化剂作为光催化CO2还原薄膜的制备方法，具体步骤为：将上述制备的核壳结构还原二氧化碳光催化剂放入到玻璃培养皿中，加入去离子水，所述核壳结构还原二氧化碳光催化剂与去离子水用量质量/体积比为10:1，超声将催化剂分散1
‑
5min，将培养皿置于烘箱中，在50
‑
70℃下干燥，最后将去离子水均匀分布在干燥的催化剂表面，从而获得光催化CO2还原薄膜。
[0019]进一步地，所述核壳结构还原二氧化碳光催化剂用量为50mg，去离子水用量为5ml，超声分散时间为3min，干燥温度为60℃。
[0020]与现有技术相比，本专利技术具有以下优点及有益效果：
[0021](1)本专利技术提供的核壳结构还原二氧化碳光催化剂复合材料具有Cu@Cu2O@N
‑
GC催化剂的3D蜂窝状结构有助于吸收光，增强了电荷转移特性；
[0022](2)Cu@Cu2O@N
‑
GC的蜂窝状结构和高比表面积为CO2还原提供了丰富的吸附、活化和反应位点；
[0023](3)3D蜂窝状的氮掺杂石墨碳框架(N
‑
GC)中的光电子可以通过Cu、Cu2O和N
‑
GC复合后转移到核壳Cu和Cu2O纳米颗粒上，从而实现更有效的电荷分离；
[0024](4)本专利技术提供的核壳结构还原二氧化碳光催化剂复合材料作为光催化CO2还原，不需要加热系统，在室温下即可检测，工作温度低，操作条件温和；
[0025](5)本专利技术提供的核壳结构还原二氧化碳光催化剂复合材料作为光催化CO2还原，可以在室温即20℃～30℃、可见光照射，在此条件下，该复合材料光催化CO2还原转化为CH4和CO的最大产率分别为38.89μmol
·
g
‑1和27.78μmol
·
g
‑1，具有高的稳定性；
[0026](6)本专利技术提供的复合材料的制备方法操作简单，成本低廉，便于推广。
附图说明
[0027]图1为实施例1得到核壳的Cu和Cu2O嵌入3D蜂窝状的氮掺杂石墨碳框架复合材料的电子扫描图像；
[0028]图2为实施例2得到核壳的Cu和Cu2O嵌入3D蜂窝状的氮掺杂石墨碳框架复合材料的电子扫描图像；
[0029]图3为实施例3得到核壳的Cu和Cu2O嵌入3D蜂窝状的氮掺杂石墨碳框架复合材料的电子扫描图像；
[0030]图4为实施例2得到核壳的Cu和Cu2O嵌入3D蜂窝状的氮掺杂石墨碳框架复合材料的元素分析图；
[0031]图5为实施例2得到核壳的Cu和Cu2O嵌入3D蜂窝状的氮掺杂石墨碳框架复合材料的透射电镜图；
[0032]图6为实施例1
‑
3在不同焙烧温度下(a：500℃、b：600℃、c：700℃)得到核壳的Cu和Cu2O嵌入3D蜂窝状的氮掺杂石墨碳框架复合材料的XRD图；
[0033]图7为实施例1
‑
3在不同焙烧温度下(a：500℃、b：600℃、c：700℃)得到核壳的Cu和Cu2O嵌入3D蜂窝状的氮掺杂石墨碳框架复合材料的拉曼图像；
[0034]图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种核壳结构还原二氧化碳光催化剂，其特征在于，所述核壳结构还原二氧化碳光催化剂是由3D蜂窝状的氮掺杂石墨碳框架的碳材料和含铜化合物经过聚合物热处理反应得到核壳结构。2.根据权利要求1所述的核壳结构还原二氧化碳光催化剂，其特征在于，所述3D蜂窝状的氮掺杂石墨框架的碳材料是三聚氰胺、石墨烯、石墨碳、尿素和聚乙烯吡咯烷酮中的至少一种。3.根据权利要求1所述的核壳结构还原二氧化碳光催化剂，其特征在于，所述含铜化合物为醋酸铜或硝酸铜中的任意一种。4.根据权利要求1
‑
3中任一项所述的核壳结构还原二氧化碳光催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将含铜化合物和3D蜂窝状的氮掺杂石墨碳框架的碳材料溶于去离子水中，在室温下进行磁搅拌，将混合物保持在80
‑
100℃搅拌干燥，形成淡蓝色的粉末，从而获得Cu和Cu2O纳米颗粒嵌入3D蜂窝状的氮掺杂石墨碳框架复合材料的前驱体；(2)将步骤(1)中干燥后的样品在惰性气体保护下于管式炉中煅烧，升温至500
‑
700℃，恒温0.5
‑
2h，升温速率1
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10℃/min，得到Cu和Cu2O嵌入3D蜂窝状的氮掺杂石墨碳框架复合材料。5.根据权利要求4所述的核壳结构还原二氧化碳光催化剂...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵焱，何浪，
申请(专利权)人：南京医电应用科技研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：