[发明专利]利用石墨烯和TiO2纳米管光电催化还原CO2的方法

说明书

技术领域

本发明是关于温室气体CO₂的资源化利用技术，特别涉及利用石墨烯和TiO₂纳米管光电催化还原CO₂的方法。

背景技术

大气中的二氧化碳浓度增加，阻止地球热量的散失，使地球发生可感觉到的气温升高，这就是有名的“温室效应”。自工业革命以来，人类向大气中排入的二氧化碳等吸热性强的温室气体逐年增加，大气的温室效应也随之增强，已引起全球气候变暖等一系列严重问题，引起了全世界各国的关注。

世界各国普遍面临着能源和基本化工原料短缺的严重问题，而二氧化碳正是一种潜在的碳资源，各国正在竞相进行研究开发和利用。随着科技的进步，特别是化工合成新工艺、新型催化剂等领域取得的一系列新技术成就，为二氧化碳气体合成化工产品创造了新的条件和可能。从CO₂出发可直接还原合成甲烷、甲醇、甲醛、甲酸、尿素、低碳烃类、碳酸酯及聚合物等有用的化工产品。开发CO₂利用技术，不仅可节约石油、天然气和煤等化石资源，而且变害为宝，减少了CO₂造成的环境污染，具有明显的经济效益和环境效益。

CO₂是一种化学性质极其稳定的气体，为了使其分子断键并转化为可以利用的燃料等化工品，主要方法有采用热化学方法在高温下催化加氢转化、采用电化学方法施加一定电位转化、采用光催化方法直接还原、采用光电催化方法还原等。光电催化与光催化相比有几点优势：1）通过电的作用，不一定由外加偏压提供，也可以通过PN结自身提供，使光生电子-空穴产生定向移动，达到分离的目的；2)CO₂的光电催化可以充分借助CO₂电催化剂的作用，使反应更高效；3）光电催化体系为CO₂的电极反应侧采用电化学分析方法（CV法LSV法EIS法）提供了便利，有助于从微观上评价催化剂的活性，并能探究CO₂催化还原反应机理。

但是目前光催化剂的量子效率低下，CO₂还原反应的能垒很高，光电反应体系催化还原CO₂的转化效率远未达到工业应用水平,迫切需要革新光电催化剂材料以及研制高效还原CO₂的反应器体系。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术中的不足，提供利用石墨烯和TiO₂纳米管协同光电催化还原CO₂制化工品的方法。为解决上述技术问题，本发明的解决方案是：

提供利用石墨烯和TiO₂纳米管光电催化还原CO₂的方法，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（缓缓）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（缓慢）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1；

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；