[发明专利]利用水生植物富集制备CuO/CeO2

说明书

本发明属于光催化材料领域，公开了利用水生植物富集制备CuO/CeO₂复合材料的方法及其应用。将水葫芦、空心莲子草分别放入硝酸铜溶液和硝酸铈溶液中吸附，吸附后的水葫芦和空心莲子草根系干燥并粉碎，溶于水中，水浴加热得到均匀分散的混合物。烘干煅烧后进行研磨，得到碳掺杂下的CuO/CeO₂复合材料。本发明充分利用了水葫芦、空心莲子草优异的选择性吸附特征分别富集水中的铜离子和铈离子，并且在煅烧过程中实现了氧化物的原位碳掺杂，增进了太阳光吸收的同时提升了光生载流子的分离效率，用于光催化二氧化碳转化为甲醇。与传统的制备方法相比，本发明原料成本较低，光催化转化二氧化碳的活性高。

技术领域

本发明属于化工新材料领域，特别涉及到一种以水葫芦、空心莲子草根系两种不同的水生物作为吸附剂，分别富集两种不同的金属离子Cu²⁺、Ce⁴⁺，然后一步煅烧法制备出CuO/CeO₂复合材料并在光催化二氧化碳转化甲醇领域的应用。

背景技术

能源和环境问题是当今人类面临的两大重要问题。利用太阳能将二氧化碳转化为有价值的产品为全球变暖和能源危机提供了一个可行的方案。在光催化转化二氧化碳的不同产物中，甲醇是最具有工业价值的转化产物之一。光催化二氧化碳还原为甲醇不仅可以解决能源危机，而且实现了“碳循环”，将大气中过多的二氧化碳真正运用到工业生活中。因此，开发高效、低成本的半导体光催化剂用于二氧化碳还原为甲醇引起了国内外的广泛关注。

目前，高效光催化剂制备最有效的策略之一是构建异质结。它不仅可以促进光催化剂的电荷分离，而且可以提供光的利用率。CuO/CeO₂复合材料是一种典型的p-n型半导体，具有良好的催化活性和稳定性。最近，文献(Li，et al，surface and interfaceanalysis 2019 51 336-344)报道了利用水热煅烧法合成p型CuO/n型CeO₂异质结光催化剂用于废水中亚甲基蓝的降解。然而利用不同的水生植物分别富集水中的Cu²⁺和Ce⁴⁺来构建CuO/CeO₂异质结光催化剂尚未见报道。

近年来，大量的报道和实验结果表明，将生物碳材料和金属氧化物相结合可以增强光的吸收，从而提高光催化剂的活性。水葫芦是一种须根发达、茎极短、生命力顽强的水生浮游植物，广泛分布在我国华南、华中和华东等地区。然而，它对水上环境和作物生长有很大的负面影响。有研究发现水葫芦根系对铜离子有很强的吸附能力，这主要是由于水葫芦根系主要由木质素和纤维素组成，根系表面的胺基以及含氧官能团的螯合作用对铜离子的吸附产生很大影响。另一方面，空心莲子草是中国亚热带及温带地区一种外来生长的水生植物，目前已遍及美洲、澳洲、亚洲的许多国家和地区。它具有根系发达、生长快、繁殖快、生命力强等特点，对铈离子有很强的吸附能力，这是因为铈离子作为稀土元素能够促进水生植物生长。本发明通过水生植物富集和煅烧合成的方法，制备了C-CuO/C-CeO₂异质结光催化剂，可望在生物质利用中架起一个碳循环的桥梁，并为实现碳中和提供一种新的技术。

发明内容

受水生植物吸附利用启发，构建一种具有异质结结构的光催化剂是解决光生载流子分离效率低、光的利用率低等的有效策略之一。本发明的目的在于提供一种利用植物富集的方法制备得到金属氧化物复合材料即C-CuO/C-CeO₂复合光催化剂。该复合材料能够在可见光下最大限度的将二氧化碳还原为甲醇。

本发明提供的生物碳掺杂CuO/生物碳掺CeO₂复合光催化材料制备方法：

(1)用去离子水分别清洗一定量的空心莲子草和水葫芦，以去除附着在它们表面的杂质。将新鲜带根空心莲子草和水葫芦分别放入装有硝酸铈和硝酸铜溶液的不同烧杯中吸附2～10个小时，根部完全浸入溶液中，然后切除根部，用去离子水多次洗涤去除表面的盐溶液，放入烘箱60～80℃干燥。