[发明专利]一种Au‑CuO/TiO2微球催化剂及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于可见光催化氧化CO脱除领域，涉及半导体氧化物CuO在Au/TiO₂体系中显现的电子助剂和结构性助剂的作用和通过光热耦合作用来提高Au催化剂催化氧化CO去除的方法，具体涉及一种Au-CuO/TiO₂微球催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

CO是一种易燃、易爆的气体污染物。烃类的不完全燃烧排放气、矿井中的气体和家用煤气灶的排放气等，均含有大量一氧化碳。当空气中CO含量为2.0 × 10^-5 mol/L 时，两小时之内人就会出现头晕和呕吐现象；当含量达到1.2 %时，会在 1-3 min 内致人死亡。对于CO的脱除，现已成为主要的环境问题之一，引起了人们的普遍关注。

众所周知，Au纳米粒子负载在还原性载体TiO₂（作为活性载体）上具有优良的低温催化氧化CO活性 [J. Catal. 199 (2001) 48; Nature. 376 (1995) 238; J. Catal. 144 (1993) 175]。尽管其反应机理仍然备受争议，但普遍认为金纳米粒子的高电子密度有利于转移电子给CO的反键轨道促进CO的吸附和活化，进而利于CO的催化氧化。金纳米粒子的催化活性很大程度依靠Au粒子尺寸分布和Au-载体界面，但载体的物理化学性能和形貌及Au的表面电子密度和Au-载体的电子转移在CO催化氧化也是一个重要影响因素。因此，建立良好的促进电子转移给Au表面的界面被认为是在Au/TiO₂上提高CO氧化的有效途径。这里，外延生长的刺猬球TiO₂载体是一种典型的微纳米层状结构材料，它通过多步积分球反射比普通纳米粒子材料可以吸收更多的入射光。而CuO具有1.7 eV的禁带宽度，在可见光下能发生电子跃迁，能接受TiO₂导带或氧空位的电子，进而捕获分子氧成活性氧物种。因而，这种新形貌和特定带宽CuO材料引入到Au催化剂中有可能促进电子的界面转移加速分子氧的活化及甚至稳定Au纳米粒子尺寸。

发明内容

本发明的目的在于提供一种Au-CuO/TiO₂微球催化剂及其制备方法和应用，CuO既作为电子助剂又可作为结构性助剂和在反应过程中引入可见光照，从而显著提高其催化氧化CO的性能，大大降低了催化剂的使用温度，减小了能耗，且该催化剂制备方法简单易行，有利于推广应用。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种Au-CuO/TiO₂微球催化剂是以TiO₂微球为载体、CuO既作为电子给予体又作为结构性助剂和Au纳米粒子为活性组分的高分散负载型催化剂，其中活性组分Au纳米粒子的含量为0.1～5 wt.%。

制备方法包括以下步骤：

（1）利用水热法制得TiO₂微球载体；

（2）在TiO₂微球载体上用NaOH溶液共沉淀氯金酸和乙酸铜；

（3）250~450℃焙烧2~5小时，制得所述的Au-CuO/TiO₂微球催化剂。

具体步骤如下：将4~6 mL钛酸四正丁酯加入到100~200 mL乙二醇中，搅拌1~3小时，加入200~400 mL丙酮得到澄清溶液，接着滴入6~10 mL水，出现白色沉淀，搅拌反应8~10小时，离心，去离子水洗涤，60～100℃下干燥，超声分散于60~80 mL水中，180~220℃水热处理10~12小时，离心，去离子水洗涤，60～100℃下干燥，制得二氧化钛微球。将成型的TiO₂微球载体置于0.005～0.02 g/mL HAuCl₄·3H₂O的Cu(CH₃COO)₂溶液中，边搅拌边加入0.1～0.25 mol/L NaOH 溶液，调pH为8～12，在室温下搅拌反应2～7 h，离心、用去离子水洗涤，60～100℃真空干燥，250~450℃焙烧2~5小时，制得所述的Au-CuO/TiO₂微球催化剂。

所述的Au-CuO/TiO₂微球催化剂应用于可见光下空气中CO的脱除和燃料电池中富氢气氛下CO的去除。