【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于光催化，具体涉及一种钴掺杂纳米二氧化钛光催化剂及其制备方法与应用。
技术介绍
1、随着经济社会的高速发展，化石燃料过度消耗产生了大量的二氧化碳排放，并进一步引发了严重的能源和环境危机。二氧化碳的捕获、利用和储存已成为人类社会可持续发展的关键课题。光催化二氧化碳还原是利用半导体光催化剂在光激发下产生的电子与co2反应，并将其还原成其高附加值化合物以实现资源化利用。光催化的太阳能利用效率主要取决于半导体对光的吸收、光生电荷的分离和迁移以及表面反应三个步骤。但目前光催化co2效率较低，难以匹配应用需求，而其关键在于导体光催化剂设计与构建。包括导体和半导体在内的许多材料均被发现具备co2还原性能，如纯金属(如au、ag等)、金属氧化物(如cuo、tio2)、金属硫化物(如mos2)及碳材料(如g-c3n4)等。通常利用形貌调控(核壳、中空、多空等)、杂原子掺杂、缺陷引入、异质材料构建等手段调控催化剂的电子结构并创建高活性的催化中心，可以有效提升二氧化碳还原活性。例如，京都大学shuhei furukaw等报道了立方八面体金属-有机多面体rh-mop自组装的超分子聚合物胶体颗粒(rh-cpp)、胶体气凝胶(rh-sag)用于光催化co2还原制乳酸，产率约为rh-mof的12倍(rhodium-based metal-organic polyhedra assemblies for selective co2 photoreduction.j.am.chem.soc.2022,doi:10.1021/jacs.1c12631)
2、在最常见的半导体光催化剂之中，二氧化钛的结构稳定、物理化学性质优良、具有较好的光谱响应范围，在光催化水分解、污染物降解及二氧化碳还原中都有着重要的应用。但二氧化钛自身表面活性位点缺乏、电荷复合较快，限制了其效率的提高。另外常规合成方法均具有一定的缺陷，不能得到综合性能较高的纳米二氧化钛光催化剂。同时，在光催化二氧化碳还原反应中存在多种转化路径及复杂的产物分布(如甲烷、甲醇、一氧化碳、甲酸等)，且催化剂表面结构较为复杂，如何调控产物分布并提高目标产物选择性也是决定二氧化碳还原效率的关键科学问题。
技术实现思路
1、为了克服现有技术的问题，本专利技术提供一种钴掺杂二氧化钛光催化剂，钴以原子级分散的形式高度分散于纳米二氧化钛中。利用钴掺杂修饰二氧化钛以提高表面活性位点数目并加速电荷传输，从而提高光催化二氧化碳的活性及co选择性。
2、上述钴以原子级分散的形式分散于纳米二氧化钛中，即表示钴是以单原子的形式分散的。
3、根据本专利技术一实施方式，钴在二氧化钛上的负载量为0.5wt％-8wt％。
4、本专利技术的另一目的是提供一种上述光催化剂的制备方法，包括以下步骤：
5、s1、羟基钛前驱体的制备：称取钛源前驱体与溶剂混合后，经溶剂热反应得到羟基钛前驱体；
6、钛源前驱体是指钛酸酯，优选为钛酸四丁酯或钛酸异丙酯中的至少一种。
7、本专利技术的技术方案采用钛酸酯作为钛源前驱体，相比于其它钛源前驱体，如ticl4等，co2还原速率更高。
8、s2、将通过步骤s1所得羟基钛前驱体浸渍于钴盐前驱体溶液中，干燥，得到固体样品；
9、通过羟基钛前驱体中的羟基基团在特定位点锚定钴原子，经过后续处理使其高分散于二氧化钛晶格骨架之中。
10、s3、将通过步骤s2所得固体样品进行焙烧处理，得到所述钴掺杂二氧化钛光催化剂。
11、通过上述原位合成方法定向调控催化剂结构，使其表面活性位点结构均匀，产物co选择性高。
12、根据本专利技术一实施方式，在步骤s1中，所述溶剂为醇；优选为乙醇、丙三醇、异丙醇中的一种或多种；进一步优选为乙醇和丙三醇的混合物。
13、所述溶剂体系中不加入水，相比于含有水的溶液体系，co2还原速率更高。
14、根据本专利技术一实施方式，在步骤s1中，溶剂热反应温度为180℃-300℃，溶剂热反应时间为24-48小时。冷却方式为随炉冷却或水冷。
15、根据本专利技术一实施方式，在步骤s2中，所述钴盐前驱体为氯化钴、硝酸钴、乙酸钴、硫酸钴中的一种或多种。
16、根据本专利技术一实施方式，在步骤s3中，所述焙烧处理温度为450℃-650℃，焙烧时间为4h-12h。升温速率为每分钟1℃至每分钟10℃。
17、根据本专利技术一实施方式，在步骤s3中，所述焙烧的气氛为空气。
18、本专利技术的另一目的是提供上述催化剂或采用上述制备方法制备得到的催化剂在光催化co2还原中的应用。
19、根据本专利技术一实施方式，光催化co2还原的步骤包括：将所述的光催化剂加入含二氧化碳和水的光催化反应体系中，所得主要产物为co且选择性大于90％。
20、有益效果：
21、与现有技术相比，本专利技术的其优点在于：
22、1、在二氧化钛晶格生长过程中引入钴源，经后续处理诱导其均匀分布于二氧化钛晶格骨架之中，合成方法简单、无需引入额外模板剂或诱导剂。同时可以在合成过程中利用羟基钛前驱体中的羟基基团在特定位点锚定钴原子，直接调控掺杂原子的电子及化学结构；
23、2、通过金属掺杂的引入，在增加表面活性位点数目的同时提高半导体自身载流子密度，同时利用掺杂能级调控光吸收性能，可以克服二氧化钛单一半导体本身载流子复合严重的问题，同时由于光吸收性能增强、活性位点增多，可使光催化二氧化碳还原的活性和稳定性大幅提升；
24、3、通过原位合成方法定向调控催化剂结构，使其表面活性位点结构均匀，产物选择性高。
25、下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步说明。
本文档来自技高网...【技术保护点】
1.一种钴掺杂二氧化钛光催化剂，其特征在于，钴以原子级分散的形式分散于纳米二氧化钛中。
2.根据权利要求1所述的光催化剂，其特征在于，钴在二氧化钛上的负载量为0.5wt％-8wt％。
3.权利要求1或2所述光催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，所述钛源前驱体为钛酸酯前驱体。
5.根据权利要求3或4所述的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，所述溶剂为醇；优选为乙醇、丙三醇、异丙醇中的一种或多种；进一步优选为乙醇和丙三醇的混合物。
6.根据权利要求3-5任一项所述的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，溶剂热反应温度为180℃-300℃，优选为180-200℃；溶剂热反应时间为24-48小时。
7.根据权利要求3-6任一项所述的制备方法，其特征在于，在步骤S2中，所述钴盐前驱体为氯化钴、硝酸钴、乙酸钴、硫酸钴中的一种或多种。
8.根据权利要求3-7任一项所述的制备方法，其特征在于，在步骤S3中，所述焙烧处理温度为450℃-650℃，焙
9.根据权利要求3-8任一项所述的制备方法，其特征在于，在步骤S3中，所述焙烧的气氛为空气。
10.权利要求1或2所述的光催化剂或采用权利要求3-9任一项所述制备方法制备得到的光催化剂在光催化CO2还原中的应用。
...【技术特征摘要】
1.一种钴掺杂二氧化钛光催化剂，其特征在于，钴以原子级分散的形式分散于纳米二氧化钛中。
2.根据权利要求1所述的光催化剂，其特征在于，钴在二氧化钛上的负载量为0.5wt％-8wt％。
3.权利要求1或2所述光催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，在步骤s1中，所述钛源前驱体为钛酸酯前驱体。
5.根据权利要求3或4所述的制备方法，其特征在于，在步骤s1中，所述溶剂为醇；优选为乙醇、丙三醇、异丙醇中的一种或多种；进一步优选为乙醇和丙三醇的混合物。
6.根据权利要求3-5任一项所述的制备方法，其特征在于，在步骤s1...
【专利技术属性】
技术研发人员：孙尚聪，彭博，宋海涛，宋烨，沈宁元，
申请(专利权)人：中国石油化工股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。