CN105126609A - 一种光催化还原二氧化碳的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光催化还原二氧化碳的方法，该方法主要包括Y掺杂TiO2光催化剂的制备及光催化还原二氧化碳两个过程。该方法使用的催化剂由溶胶-凝胶法制备，经300～800℃焙烧的掺杂量为0.1％～8％的Y掺杂TiO2光催化剂。在光催化还原二氧化碳的过程中，在内照式光催化反应器中，加入200mL？Na2CO3或Na2SO3水溶液为反应液，并加入Y掺杂的TiO2光催化剂，以500W汞灯或氙为光源，通入二氧化碳，常温下进行光催化二氧化碳还原反应1～6h，得到二氧化碳还原产物甲酸。本发明的优点是：工艺简单，操作便捷，过程绿色化，可对造成温室效应气体二氧化碳转换成有用的化工产品。
Description
技术领域
本发明属于二氧化碳综合利用领域，具体为一种光催化还原二氧化碳的方法。
背景技术
能源和环境问题是人类生存面临的两大主要问题，随着大气中CO2浓度的不断升高，全球气温变暖，导致灾害性天气逐年增加，因此，如何减少CO2的排放，从根源上将其控制与利用，已成为全球瞩目的问题。人们在不断探索CO2减排技术的过程中发现光催化技术具有反应条件温和，环保无污染，能耗小等优点，因而备受科学家们的关注。
光催化还原CO2的关键点在于制备出高效的光催化剂。研究表明，TiO2不仅具有很高的光催化活性(吸收紫外线性能强。光生电子的还原性和空穴的氧化性强)，而且具有廉价、无毒、广谱适用性、化学性质稳定(耐酸碱和光化学腐蚀)等优点，被认为是一种性能优良的光催化剂。但是TiO2仅能吸收4％的紫外辐射(波长＝387.5nm)，不能充分利用太阳能；此外，光生电子和空穴复合几率很高，导致TiO2的光生载流子利用效率低。由于存在这两个缺陷，在一定程度上制约了TiO2光催化技术的实际应用。因此提高TiO2光催化性能要从扩展TiO2光谱响应范围和降低光生电子－空穴对复合率两方面进行。研究较多的改性方法有，稀土离子掺杂(ThinSolidFilms,2004,460(1-2):83-86)，贵金属表面沉积(JMolCatalA,2003,198(1-2):303)，半导体复合(TheJournalofPhysicalChemistryB,2000,104(19):4585-4587)，表面光敏化(EnvironSciTechnol,2001,35(5):966-970)等。其中离子掺杂改性因具有方法简单效果好等优点而得到重点研究。资料显示，稀土元素Y具有未充满的4f电子，可以吸收或发射从紫外、可见光到红外光区不同波长的光，且每种光区发射的范围小。将其掺杂到催化剂中能提高催化剂载体的机械强度，催化剂活性，提高催化剂的使用寿命，增加催化剂的热稳定性，节约贵金属。
发明内容
本发明的目的在于弥补TiO2对可见光无吸收以及由于光激发产生的光生电子和空穴容易复合致使光催化效率低的缺陷，提供一种光催化还原二氧化碳的方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种光催化还原二氧化碳的方法，以CO2为原料，以Y掺杂TiO2为光催化剂，在光照条件下进行CO2还原，得到产物甲酸。操作步骤如下：
1.Y掺杂TiO2光催化剂的制备：
用5mL无水乙醇、10mL冰醋酸、5mL去离子水，按Ti摩尔量的0.1％～8％加入硝酸钇，制成硝酸钇溶液，在搅拌状态下，将40mL体积浓度为45％钛酸四丁酯乙醇溶液缓慢滴入硝酸钇溶液中，形成溶胶，滴完后静置3h，形成凝胶。将凝胶在100℃干燥12h，取出冷却、研磨后，放入马弗炉以300～800℃煅烧3h，即得Y掺杂TiO2光催化剂。
2.光催化还原二氧化碳：
在内照式光催化反应器中，加入200mL0.25mol/LNa2CO3或0.08mol/LNa2SO3水溶液为反应液，按0.5～10g/L的用量加入Y掺杂TiO2光催化剂，以50～500mL/min流速通入二氧化碳，以500W汞灯或氙灯为光源，常温下进行光催化二氧化碳还原反应1～6h，得到二氧化碳还原产物为甲酸。
上述步骤(1)中Y的摩尔量优选为Ti的摩尔量的0.5％。
上述步骤(1)中的焙烧温度优选为400℃。
上述步骤(2)中的Y掺杂TiO2光催化剂的用量优选为2.0g/L。
上述步骤(2)中的二氧化碳的流速优选为100mL/min。
本发明与现有的技术相比，具有以下优点：
1.本发明采用溶胶凝胶法制备Y掺杂TiO2光催化剂，由于Y离子半径0.089nm与Ti离子半径0.068nm相近，使Y离子更容易进入TiO2晶格。减少光生电子和空穴对的复合率，提高了TiO2的光催化效率。
2.Y掺杂TiO2光催化剂，Y掺杂TiO2产生的杂质能级有利于UV-ViS光谱吸收带边红移和对可见光的吸收。
3.本发明工艺简单，操作简便，过程环保。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但需要说明的是本发明的应用范围并不局限于这些实施例。
实施例1
光催化还原二氧化碳的方法，操作步骤如下：
1.Y掺杂TiO2光催化剂的制备：配置40mL体积浓度为45％钛酸四丁酯乙醇溶液，然后用5mL无水乙醇、10mL冰醋酸、5mL去离子水，按Ti摩尔量的0.1％加入硝酸钇，制成硝酸钇溶液，在搅拌状态下，将钛酸四丁酯乙醇溶液缓慢滴入硝酸钇溶液中，形成溶胶，滴完后静置3h，形成凝胶。将凝胶在100℃干燥12h，取出冷却、研磨后，放入马弗炉以300℃煅烧3h，即得0.1％Y掺杂TiO2光催化剂。
2.光催化还原二氧化碳的过程：在内照式光催化反应器中，加入200mL0.25mol/LNa2CO3水溶液为反应液，按0.5g/L的用量加入0.1％Y掺杂TiO2光催化剂，以50mL/min流速通入二氧化碳，以500W汞灯为光源，常温下进行光催化二氧化碳还原反应1h，得到二氧化碳还原产物甲酸的含量为263.25μmol/(g·h)。
实施例2
光催化还原二氧化碳的方法，操作步骤如下：
1.Y掺杂TiO2光催化剂的制备：配置40mL体积浓度为45％钛酸四丁酯乙醇溶液，然后用5mL无水乙醇、10mL冰醋酸、5mL去离子水，按Ti摩尔量的0.5％加入硝酸钇，制成硝酸钇溶液，在搅拌状态下，将钛酸四丁酯乙醇溶液缓慢滴入硝酸钇溶液中，形成溶胶，滴完后静置3h，形成凝胶。将凝胶在100℃干燥12h，取出冷却、研磨后，放入马弗炉以400℃煅烧3h，即得0.5％Y掺杂TiO2光催化剂。
2.光催化还原二氧化碳的过程：在内照式光催化反应器中，加入200mL0.08mol/LNa2SO3水溶液为反应液，按2g/L的用量加入0.5％Y掺杂TiO2光催化剂，以100mL/min流速通入二氧化碳，以500W氙灯为光源，常温下进行光催化二氧化碳还原反应6h，得到二氧化碳还原产物甲酸的含量为729.4μmol/(g·h)。
实施例3
光催化还原二氧化碳的方法，操作步骤如下：
1.Y掺杂TiO2光催化剂的制备：配置40mL体积浓度为45％钛酸四丁酯乙醇溶液，然后再用5mL无水乙醇、10mL冰醋酸、5mL去离子水，然后再按Ti摩尔量的8％加入硝酸钇，制成硝酸钇溶液，在搅拌状态下，将钛酸四丁酯乙醇溶液缓慢滴入硝酸钇溶液中，形成溶胶，滴完后静置3h，形成凝胶。将凝胶在100℃干燥12h，取出冷却、研磨后，放入马弗炉以600℃煅烧3h，即得3％Y掺杂TiO2光催化剂。
2.光催化还原二氧化碳的过程：在内照式光催化反应器中，加入200mL0.25mol/LNa2CO3，按5g/L的用量加入3％Y-TiO2光催化剂，以400mL/min流速通入二氧化碳，以500W汞灯为光源，常温下进行光催化二氧化碳还原反应4h，得到二氧化碳还原产物甲酸含量为377.4μmol/(g·h)。
实施例4
光催化还原二氧化碳的方法，操作步骤如下：
1.Y掺杂TiO2光催化剂的制备：配置40mL体积浓度为45％钛酸四丁酯乙醇溶液，然后再用5mL无水乙醇、10mL冰醋酸、5mL去离子水，然后再按Ti摩尔量的8％加入硝酸钇，制成硝酸钇溶液，在搅拌状态下，将钛酸四丁酯乙醇溶液缓慢滴入硝酸钇溶液中，形成溶胶，滴完后静置3h，形成凝胶。将凝胶在100℃干燥12h，取出冷却、研磨后，放入马弗炉以800℃煅烧3h，即得8％Y掺杂TiO2光催化剂。
2.光催化还原二氧化碳的过程：在内照式光催化反应器中，加入200mL0.08mol/LNa2SO3水溶液为反应液，按10g/L的用量加入8％Y掺杂TiO2光催化剂，以500mL/min流速通入二氧化碳，以500W氙灯为光源，常温下进行光催化二氧化碳还原反应5h，得到二氧化碳还原产物甲酸含量为497.5μmol/(g·h)。
Claims (5)
1.一种光催化还原二氧化碳的方法，其特征在于：以CO2为原料，以Y掺杂TiO2为光催化剂，在光照条件下进行CO2还原，得到产物甲酸，操作步骤如下：
(1)Y掺杂TiO2光催化剂的制备：
用5mL无水乙醇、10mL冰醋酸、5mL去离子水，按Ti摩尔量的0.1％～8％加入硝酸钇，制成硝酸钇溶液，在搅拌状态下，将40mL体积浓度为45％钛酸四丁酯乙醇溶液缓慢滴入硝酸钇溶液中，形成溶胶，滴完后静置3h，形成凝胶，将凝胶在100℃干燥12h，取出冷却、研磨后，放入马弗炉以300～800℃煅烧3h，即得Y掺杂TiO2光催化剂；
(2)光催化还原二氧化碳：
在内照式光催化反应器中，加入200mL0.25mol/LNa2CO3或0.08mol/LNa2SO3水溶液为反应液，按0.5～10g/L的用量加入Y掺杂TiO2光催化剂，以50～500mL/min流速通入二氧化碳，以500W汞灯或氙灯为光源，常温下进行光催化二氧化碳还原反应1～6h，得到二氧化碳还原产物为甲酸。
2.根据权利要求1所述的光催化还原二氧化碳的方法，其特征在于所述步骤(1)中Y的摩尔量为Ti的摩尔量的0.5％。
3.根据权利要求1所述的光催化还原二氧化碳的方法，其特征在于所述步骤(1)中的焙烧温度为400℃。
4.根据权利要求1所述的光催化还原二氧化碳的方法，其特征在于所述步骤(2)中的Y掺杂TiO2光催化剂的用量为2.0g/L。
5.根据权利要求1所述的光催化还原二氧化碳的方法，其特征在于所述步骤(2)中的二氧化碳的流速为100mL/min。
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