[发明专利]光合成过氧化氢用碳氮催化剂及其制备方法

说明书

本发明公开了一种光合成过氧化氢用碳氮催化剂及其制备方法，该催化剂的制备方法为：将含碳、氮的有机物粉末在空气或惰性气氛下焙烧得到C₃N₄固体粉末；再将C₃N₄研磨后与糖溶液混合，于水热反应釜中进行碳化反应，得到无定形碳修饰的C₃N₄；然后在惰性气氛下焙烧，得到碳氮催化剂(C_xN_y)。本发明所采用的原料来源丰富、无毒，具有绿色、可持续、成本低的特点，适合规模化生产。该催化剂用于以水、氧气和少量醇为原料、利用太阳光作为能源供体生产H₂O₂，整个过程不使用任何有毒试剂、有毒溶剂、无废物、废水排放，反应条件温和，绿色环保。

技术领域

本发明属于太阳光驱动清洁合成过氧化氢用催化剂制备领域，具体涉及碳氮催化剂的制备。

背景技术

过氧化氢(H₂O₂)被誉为“清洁”的化学品，其应用于造纸、纺织、印染、电子、食品、环保和化学合成等领域，随着经济社会发展和人民生活水平的不断提高，其应用会更加广泛。

目前工业上生产H₂O₂的主要方法是蒽醌法，该方法具有装置易于大型化、产率较高等优点。不足之处是生产系统复杂，生产过程能耗大，H₂O₂与有机物质在反应体系里同时存在，易产生爆炸危险与高毒性。因此，人们发展了以H₂和O₂为原料的H₂O₂直接合成法(Science,2009,323,1037-1041.)，这种方法通常是以贵金属Au、Pd或双金属AuPd作为催化剂，水为介质，通过H₂和O₂的反应，选择性生成H₂O₂。该法基本不使用有机溶剂，因此较蒽醌法更绿色、环保。但是，H₂和O₂的气体混合体系在很宽的浓度范围内具有爆炸风险，难以控制，在合成时需精细调节两者的比例，或加入稀释剂(例如：N₂、Ar气)，这会对反应产生影响，导致H₂O₂选择性不高，产率较低。

为了避免H₂和O₂两种气体的直接接触，研究者提出以质子氢(H⁺)代替分子氢(H₂)制备H₂O₂。TiO₂是一种广泛使用的光催化剂，在光激发下产生的光生电子能够还原氧，然后经过一系列自由基转化过程可以形成H₂O₂，但生成的H₂O₂会在TiO₂表面快速分解，降低H₂O₂的产率。为了抑制H₂O₂在TiO₂表面的分解，研究者设计了TiO₂负载Au、Ag的氧化物为催化剂，通过贵金属将电子导出，使得H₂O₂在贵金属表面生成，从而抑制H₂O₂的分解，提高H₂O₂的产率(ACS Catal.,2012,2,599-603；J.Am.Chem.Soc.,2010,132,7850-7851.)，但这种方法的催化剂需要使用贵金属，资源非常有限，价格昂贵，不适于工业生产与推广。利用氟离子(F^-)改性TiO₂，可以减少H₂O₂在TiO₂表面的分解，提高产率(Chem.Commun.,2005,2627-2629.)，但是所使用的氟化氢(HF)具有强腐蚀性，操作危险大，增加工业生产的成本与风险。