CN107413337A - 高效光催化co2加氢材料光催化剂的制备及应用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高效光催化CO2加氢材料光催化剂的制备及应用方法。该过程主要包括Pd/TiO2光催化剂的制备及光催化CO2加氢两个部分，Pd负载TiO2通过葡萄糖还原的方法完成，制备出了0.5％‑1.5％Pd负载TiO2的光催化剂。光催化CO2加氢反应在一个微型高压可视釜式反应器中进行，通入2MPa H2与0.5MPa CO2，加入Pd/TiO2光催化剂，以150W汞灯为光源，常温搅拌下进行光催化加氢反应1‑5h，得到的主要产物为CH4，并有少量C2H6、CO生成。本发明的主要优点为方法简单、反应条件温和、成本低、可循环利用、过程绿色化，能够将温室气体CO2转化成高附加值的碳氢能源，对于解决环境问题与能源问题具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种高效光催化CO2加氢材料Pd/TiO2的制备及应用方法，尤其是Pd/TiO2光催化材料的制备方法及其在紫外光下光催化CO2加氢生成CH4的有效应用，属于光催化技术领域。
背景技术
随着化石燃料的不断使用，环境污染与能源短缺已成为人们面临的主要危机，大气中大量排放的CO2是造成温室效应的主要气体，导致全球气候变暖，严重影响生态和环境问题，CO2作为最丰富的碳源之一，开发CO2不仅能减少环境污染，而且将CO2转化为有用能源能够解决能源问题，因此引起了人们的关注与重视。
光催化技术能够充分利用太阳能，反应条件温和、绿色化，具有很好的发展前景，光催化CO2加氢关键在于制备出高效的光催化剂。TiO2因其具有氧化电位较高、便宜易得、无毒、化学性质稳定等特点，在光催化领域得到了广泛的应用。但是由于它的宽的能带隙(3.2eV)，只能被波长较短的紫外光激发，仅占照射到地面太阳能射线的4％-6％，太阳能利用率较低，并且光生载流子很容易重新复合，导致光催化效率很低。当激发波长小于387nm时，电子从价带激发到导带生成光生电子，同时在价带上留下光生空穴，形成光生电子-空穴对，电子和空穴一部分会迁移到半导体表面参与化学反应，另一部分则会在半导体内部发生重组。一般来说，化学反应时间为10-8-10-3s，而光生电子空穴重组时间为10-9s，所以光激发产生的电子和空穴大部分进行了重组反应，最后以热能形式散失，这导致了光催化效率的降低。
为提高TiO2光催化活性，各种各样的改性方法也被应用，如稀土离子掺杂(CN105126609 A)、贵金属负载(CN 105110447 A)、半导体复合(CN 105126892 A)等。Pd的负载能够有效吸附CO2，活化氢离子，有效分离电子空穴对，提高光催化活性，促进光催化CO2加氢反应。
发明内容
技术问题：本发明的目的在于提供一种高效光催化CO2加氢材料光催化剂的制备和应用方法，Pd金属聚集电子，能够提供更多的活性位，减少电子空穴复合几率，从而提高光催化CO2加氢效率。
技术方案：本发明的一种高效光催化CO2加氢材料光催化剂的制备方法，其特征在于：该光催化剂通过葡萄糖还原法进行Pd负载TiO2形成Pd/TiO2，其具体操作步骤如下：
取TiO2材料分散在去离子水中，超声搅拌，按加入TiO2质量的0.5％-1.5％加入氯钯酸钠溶液，使用NaOH溶液调节pH为7-10，加入葡萄糖，在60-90℃温度下水浴0.5-2h，离心、洗涤、真空干燥，即得Pd/TiO2光催化剂。
所述加入葡萄糖，其加入量为5倍还原计量的葡萄糖。
本发明的高效光催化CO2加氢材料光催化剂的应用在于光催化剂在紫外光下可用于CO2加氢。
其中：
所述光催化剂在紫外光下用于CO2加氢，具体步骤为：在高压可见微型釜式反应器中内壁处加入锡箔纸，起到聚光作用，将石英棉均匀分散承载所述光催化剂，底部留出一定空间进行搅拌，加强气体流动，光催化剂分散在石英棉上通N2排除内部空气，加入H2与CO2，汞灯作为光源，常温下进行光催化加氢反应，得到CO2主要还原产物为CH4。
所述常温下进行光催化加氢反应，时间为1-5h。
所述加入H2，其加入条件为2-3MPa。
所述加入CO2，其加入条件为0.5-1MPa。
所述汞灯的功率为10-150W。
有益效果：本发明与现有的技术相比，具有以下优点：
(1)本发明采用葡萄糖还原方法进行了金属Pd的负载，方法简单、容易控制，能够提供活性位，聚集电子，有效分离电子空穴，促进光催化反应；
(2)本发明在CO2加氢反应上，条件温和、绿色环保、催化剂活性高寿命长，将CO2转化为CH4能有效缓解环境危机与能源危机。
具体实施方式
本发明的一种高效光催化CO2加氢材料Pd/TiO2的制备及应用方法，以CO2和H2为原料，以Pd/TiO2为光催化剂，紫外光照下进行CO2还原反应，得到的主要产物为CH4，具体操作步骤如下：
(1)Pd负载光催化剂的制备：
取TiO2材料分散在去离子水中，超声搅拌，按加入TiO2质量的0.5％-1.5％加入氯钯酸钠溶液，使用NaOH溶液调节pH为7-10，加入葡萄糖，在60-90℃温度下水浴0.5-2h，离心、洗涤、真空干燥，即得Pd/TiO2光催化剂；
(2)光催化CO2加氢反应：
在高压可见微型釜式反应器中内壁处加入锡箔纸，起到聚光作用，石英棉均匀分散承载催化剂，底部留出一定空间进行搅拌，加强气体流动，光催化剂分散在石英棉上，通N2半小时排除内部空气，加入2-3MPa H2与0.5-1MPa CO2，100-150W汞灯作为光源，常温下进行光催化加氢反应1-5h，得到CO2主要还原产物为CH4。
下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。应该指出，这些实施例仅是为了举例说明本发明，在任何方面都不构成对本发明范围的限制。
实施例1：高效光催化CO2加氢材料Pd/TiO2的制备及应用方法，操作步骤如下：
(1)Pd负载光催化剂的制备：
取0.5g的TiO2材料分散在60mL去离子水中，超声搅拌10min，按加入TiO2质量的0.5％加入氯钯酸钠溶液，使用0.1mol/L的NaOH溶液调节pH为9，加入5倍还原计量的葡萄糖，在60℃温度下水浴0.5h，离心、洗涤、真空干燥，即得Pd/TiO2光催化剂；
(2)光催化CO2加氢反应：
在高压可见微型釜式反应器中内壁处加入锡箔纸，起到聚光作用，0.5g石英棉均匀分散承载催化剂，底部留出一定空间进行搅拌，加强气体流动，0.05g光催化剂分散在石英棉上，通N2半小时排除内部空气，加入2MPa H2与0.5MPa CO2，150W汞灯作为光源，常温下进行光催化加氢反应1h，得到CO2主要还原产物CH4含量为86.64μmol/(g·h)。
实施例2：高效光催化CO2加氢材料Pd/TiO2的制备及应用方法，操作步骤如下：
(1)Pd负载光催化剂的制备：
取0.5g的TiO2材料分散在60mL去离子水中，超声搅拌10min，按加入TiO2质量的1.0％加入氯钯酸钠溶液，使用0.1mol/L的NaOH溶液调节pH为8，加入5倍还原计量的葡萄糖，在80℃温度下水浴1h，离心、洗涤、真空干燥，即得Pd/TiO2光催化剂；
(2)光催化CO2加氢反应：
在高压可见微型釜式反应器中内壁处加入锡箔纸，起到聚光作用，0.5g石英棉均匀分散承载催化剂，底部留出一定空间进行搅拌，加强气体流动，0.1g光催化剂分散在石英棉上，通N2半小时排除内部空气，加入3MPa H2与1MPa CO2，100W汞灯作为光源，常温下进行光催化加氢反应3h，得到CO2主要还原产物CH4含量为118.54μmol/(g·h)。
实施例3：高效光催化CO2加氢材料Pd/TiO2的制备及应用方法，操作步骤如下：
(1)Pd负载光催化剂的制备：
取0.5g的TiO2材料分散在60mL去离子水中，超声搅拌10min，按加入TiO2质量的1.5％加入氯钯酸钠溶液，使用0.1mol/L的NaOH溶液调节pH为10，加入5倍还原计量的葡萄糖，在90℃温度下水浴1h，离心、洗涤、真空干燥，即得Pd/TiO2光催化剂；
(2)光催化CO2加氢反应：
在高压可见微型釜式反应器中内壁处加入锡箔纸，起到聚光作用，0.5g石英棉均匀分散承载催化剂，底部留出一定空间进行搅拌，加强气体流动，0.2g光催化剂分散在石英棉上，通N2半小时排除内部空气，加入2.5MPa H2与0.75MPa CO2，130W汞灯作为光源，常温下进行光催化加氢反应5h，得到CO2主要还原产物CH4含量为85.14μmol/(g·h)。
实施例4：高效光催化CO2加氢材料Pd/TiO2的制备及应用方法，操作步骤如下：
(1)Pd负载光催化剂的制备：
取0.5g的TiO2材料分散在60mL去离子水中，超声搅拌10min，按加入TiO2质量的1.0％加入氯钯酸钠溶液，使用0.1mol/L的NaOH溶液调节pH为7，加入5倍还原计量的葡萄糖，在80℃温度下水浴2h，离心、洗涤、真空干燥，即得Pd/TiO2光催化剂；
(2)光催化CO2加氢反应：
在高压可见微型釜式反应器中内壁处加入锡箔纸，起到聚光作用，0.5g石英棉均匀分散承载催化剂，底部留出一定空间进行搅拌，加强气体流动，0.1g光催化剂分散在石英棉上，通N2半小时排除内部空气，加入2MPa H2与0.5MPa CO2，150W汞灯作为光源，常温下进行光催化加氢反应4h，得到CO2主要还原产物CH4含量为97.36μmol/(g·h)。
Claims (8)
1.一种高效光催化CO2加氢材料光催化剂的制备方法，其特征在于，该光催化剂通过葡萄糖还原法进行Pd负载TiO2形成Pd/TiO2，其具体操作步骤如下：
取TiO2材料分散在去离子水中，超声搅拌，按加入TiO2质量的0.5％-1.5％加入氯钯酸钠溶液，使用NaOH溶液调节pH为7-10，加入葡萄糖，在60-90℃温度下水浴0.5-2h，离心、洗涤、真空干燥，即得Pd/TiO2光催化剂。
2.如权利要求1所述的一种高效光催化CO2加氢材料光催化剂的制备方法，其特征在于，所述加入葡萄糖，其加入量为5倍还原计量的葡萄糖。
3.如权利要求1所述的高效光催化CO2加氢材料光催化剂的应用，其特征在于，该光催化剂在紫外光下用于CO2加氢。
4.如权利要求3所述的高效光催化CO2加氢材料光催化剂的应用，其特征在于，所述光催化剂在紫外光下用于CO2加氢反应，具体步骤为：在高压可见微型釜式反应器中内壁处加入锡箔纸，起到聚光作用，将石英棉均匀分散承载所述光催化剂，底部留出一定空间进行搅拌，加强气体流动，光催化剂分散在石英棉上通N2排除内部空气，加入H2与CO2，汞灯作为光源，常温下进行光催化加氢反应，得到CO2主要还原产物为CH4。
5.如权利要求4所述的高效光催化CO2加氢材料光催化剂的应用，其特征在于，所述常温下进行光催化加氢反应，时间为1-5h。
6.如权利要求4所述的高效光催化CO2加氢材料光催化剂的应用，其特征在于，所述加入H2，其加入条件为2-3MPa。
7.如权利要求4所述的高效光催化CO2加氢材料光催化剂的应用，其特征在于，所述加入CO2，其加入条件为0.5-1MPa。
8.如权利要求4所述的高效光催化CO2加氢材料光催化剂的应用，其特征在于，所述汞灯的功率为100-150W。
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