[发明专利]一种核壳结构还原二氧化碳光催化剂及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种核壳结构还原二氧化碳光催化剂及其制备方法与应用，该制备方法包括：(1)将3D蜂窝状的氮掺杂石墨碳框架的碳材料和含铜化合物溶于去离子水中，在室温下进行磁搅拌，将混合物保持在80‑100℃搅拌干燥，形成淡蓝色的粉末，从而获得Cu和Cu₂O纳米颗粒嵌入3D蜂窝状的氮掺杂石墨碳框架复合材料的前驱体；(2)将步骤(1)中干燥后的样品在惰性气体保护下于管式炉中煅烧，得到Cu和Cu₂O嵌入3D蜂窝状的氮掺杂石墨碳框架复合材料；该复合材料在可见光照射下用于光催化CO₂还原时，CH₄和CO的最大产率分别为38.89μmol·g^‑1和27.78μmol·g^‑1，并且，本发明提供的制备方法操作简单，成本低廉，便于推广。

技术领域

本发明属于光催化领域，具体是涉及一种通过简单的聚合物热处理方法制备二氧化碳(CO₂)催化剂的方法，尤其涉及一种核壳结构还原二氧化碳光催化剂的制备方法与应用。

背景技术

二氧化碳(CO₂)是导致全球变暖的温室气体的主要来源之一。化石燃料的燃烧和大范围的森林砍伐显着增加了大气中二氧化碳的含量。因此，除了控制CO₂的产生外，材料科学家也在开发更积极的策略，例如CO₂捕获、封存(CCS)及利用。其中，光催化还原CO₂被认为是一种同时减少温室效应和实现太阳能转化为燃料的有吸引力的方法。同时，它正在减少与化石燃料燃烧相关的CO₂排放，并生产有价值的产品作为燃料或原材料(C1：CO、CH₄、HCOOH和C2：乙烯、乙醇等)以部分满足能源需求，释放部分环境负担，以解决全球变暖和替代能源需求的全球性挑战。

氧化亚铜(Cu₂O)是一种廉价、无毒、易于制备的材料，在太阳能电池、光催化、锂离子电池、气体传感器等方面有着广泛的应用。作为一种直接带隙半导体材料，其带隙宽度约为1.9-2.2eV，能够吸收大部分的可见光，被认为是一种很有潜力的光催化还原CO₂的催化剂。

近年来，氧化亚铜(Cu₂O)是作为光催化CO₂还原反应(CO₂RR)的潜在催化剂之一。然而，原始的Cu₂O纳米晶容易聚集，导电性差，阻碍了Cu₂O光催化性能的提高。因此，寻找一种有效的策略来增强Cu₂O的导电性和稳定性进而提高其光催化性能是非常重要的。Cu₂O与其它半导体结合形成异质结构是提高Cu₂O催化性能的有效途径之一。

发明内容

本发明目的在于提供一种通过简单的聚合物热处理方法制备二氧化碳(CO₂)催化剂的方法，既能降低大气中的CO₂，同时又能够在可见光的条件下使得CO₂转化为CO和CH₄的可利用的能源。

本发明的另一目的在于提供一种核壳的Cu和Cu₂O嵌入3D蜂窝状的氮掺杂石墨碳框架复合材料。

本发明的再一目的在于提供上述核壳的Cu和Cu₂O嵌入3D蜂窝状的氮掺杂石墨碳框架复合材料在光催化还原二氧化碳的应用。

本发明目的通过以下技术方案实现：

一种用于核壳结构还原二氧化碳光催化剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)将含铜化合物和3D蜂窝状的氮掺杂石墨碳框架的碳材料溶于去离子水中，在室温下进行磁搅拌，将混合物保持在80-100℃搅拌干燥，形成淡蓝色的粉末，从而获得Cu和Cu₂O纳米颗粒嵌入3D蜂窝状的氮掺杂石墨碳框架复合材料的前驱体。