[发明专利]一种花状氧化铜/氧化铁纳米管催化剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种催化剂，具体涉及一种用于光电催化还原CO₂为低碳醇的花状氧化铜/氧化铁纳米管催化剂及其制备方法。

背景技术

大气中CO₂含量逐年上升，引发气候变化、海平面上升等环境问题。作为一种潜在的碳资源，将其催化加氢转化为醇类等化学品的相关技术已有报道，高温非均相与均相催化氢化作用、CO₂催化共聚等转化固定方法是从化石资源中获取氢源，整个过程实际意义不明显；而光催化还原和电催化还原CO₂的氢来源于水,是洁净、环境友好型再生新能源方法，同时是性能优异的高级催化还原CO₂处理技术。

在光电催化材料选择中，Fe₂O₃（Eg=2.2eV）能够吸收大约40%的太阳光，价带电位为2.48eV（vsNHE），能够将水裂解，提供CO₂还原所需要的H⁺。CuO（Eg=1.35-1.7eV）的导带电势位置是-0.8eV（vsNHE），具有很强的还原性能。将Fe₂O₃与CuO结合，应用到光电一体化催化还原CO₂中，目前还未见报道。

发明内容

本发明提供了一种花状氧化铜/氧化铁纳米管催化剂及其制备方法，本发明所得催化剂具有良好的光电催化性能，能够将CO₂光电催化还原为甲醇和乙醇，并且该催化剂实现了水裂解和CO₂还原这两个反应的耦合。

一种花状氧化铜/氧化铁纳米管催化剂是花状氧化铜负载在氧化铁纳米管表面的复合材料，氧化铜的负载量为3-5mg/cm²。首先通过电化学阳极氧化法得到火山状氧化铁纳米管，然后火山状氧化铁纳米管经过脉冲电沉积、煅烧后，使得花状结构的氧化铜原位生长在火山状氧化铁纳米管基底上面，即花状氧化铜/氧化铁纳米管催化剂。

制备所述的花状氧化铜/氧化铁纳米管催化剂，具体步骤包括：

（1）在15-25V的恒电压下，将依次经过打磨、刻蚀后的铁板作为阳极，钛板作为阴极，放入温度为17-24℃的电解液中电解1.5-2.5小时；

（2）将步骤（1）电解后的阳极取出，采用频率为40KHz的超声波进行超声4-6min，然后进行煅烧，得到氧化铁；

（3）将步骤（2）得到的氧化铁做对电极，铂丝做工作电极，饱和甘汞电极做参比电极，以CuSO₄溶液为电解液，进行脉冲电沉积，然后将对电极进行煅烧，得到目标产物花状氧化铜/氧化铁纳米管催化剂。

这样，将依次经过打磨、刻蚀后的铁板经过步骤（1）电解后生成Fe₂O₃纳米管，即无定型的Fe₂O₃纳米管；步骤（2）将无定型的氧化铁转化为定型的氧化铁，同时提高了氧化铁的结晶度，以便使目标产物达到更好的催化效果。

步骤（1）所述的电解液是固体NH₄F溶解于乙二醇水溶液中形成的，NH₄F占电解液的质量分数为0.25%。电解液中去离子水和乙二醇的体积比是3:97，所述的水为去离子水。其中电解液的组成是一定的，尤其水与乙二醇的体积比，否则会影响氧化铁纳米管的形成，进一步会影响目标产物的催化效果。

步骤（1）所述电解过程中所需条件为：温度为17-24℃，电解时间为1.5-2.5小时。若温度过低，则电流密度太低，电解速率较慢；若温度过高，则电解过程能耗增加，成本增高。

步骤（2）所述超声波的频率为40KHz，超声时间为4-6min。超声的目的主要是除去步骤（1）电解后阳极的表面杂质。

步骤（2）所述的煅烧过程是在氧气氛围进行的，煅烧温度为450-550℃，煅烧时间为1.5-2.5小时，升温速率和降温速率均为3°C·min^-1。这样在氧气氛围中以此条件进行煅烧，防止掺入其他元素，有利于彻底氧化并且氧化铁以火山状的定型结构存在。

步骤（3）所述的CuSO₄溶液的质量分数是20%。

步骤（3）所述的脉冲电沉积过程中所需的条件为：温度为45-50℃，时间为0.5-1.5小时，电流密度为65-80A·cm^-2。只有在这样的条件下，才能形成花状结构，使的目标产物达到更好的催化效果。