一种双极膜表面粉末态光催化剂在CO2还原中的应用制造技术

一种双极膜表面粉末态光催化剂在CO2还原中的应用是以表面负载粉末态光催化的双极膜作为阴极室和阳极室的隔膜，所述双极膜的阳离子交换膜表面负载P型半导体光催化剂粉末；所述双极膜的阴离子交换膜表面负载N型半导体光催化剂粉末，将P型半导体光催化剂粉末作为阴极，将N型半导体光催化剂粉末作为阳极，采用氙灯作为光源，外加电压作用下进行光电催化CO2还原，阳极室进行水氧化反应。双极膜中间界面层水解离不仅为CO2还原提供连续不断的H

【技术实现步骤摘要】
一种双极膜表面粉末态光催化剂在CO2还原中的应用
本专利技术涉及一种双极膜催化剂在CO2还原中的应用，具体地说，是一种附着有粉末态催化剂在光电催化还原CO2中应用的技术方案。
技术介绍
半导体光电催化技术是一种将太阳能转化为化学能的有效技术手段，对解决能源紧缺、减小环境污染压力具有重大意义。经过各国科学家多年的探索和积累，该领域的研究取得了较大进展，但总体来说，利用太阳能光电催化效率仍然比较低。其中一个主要原因是由于光生电子-空穴未能有效分离，重新复合，导致光电催化活性下降。国内外学者们采用各种方法分离光生电子-空穴，如：Fan等将TiO2与BiOCl催化剂进行复合，使BiOCl导带的电子转移至TiO2导带上，TiO2价带的空穴转移至BiOCl价带上，从而有效地将电子-空穴分离(CrystEngComm,2014,16:820-825)；Zhang等制备了BiOCl核-壳结构光催化剂，此结构能有效分离光生电子-空穴，从而提高了光催化活性（CrystEngComm,2012,14:700-707）。可见，提高光生电子-空穴分离效率仍然是光电催化过程中迫切需要解决的关键问题。在光电催化实际应用过程中，半导体粉末态催化剂存在易团聚和反应后难回收的问题。因此，光催化剂的固定化对光催化技术的实用化非常重要。例如，Noorjahan等利用喷溅技术制得了TiO2-HZSM-5复合薄膜，这种薄膜对废水中有毒酚类和有机酸的降解有很高的活性（Appl.Catal.,B:Environmental,2004,47:209-213）；García等以玻璃微球为载体，采用浸渍提拉法制备了负载型TiO2光催化剂用于降解模拟污染物和城市污水处理厂的污水(Appl.Catal.,B:Environmental,2011,103:294-301)，取得了良好效果。可见，为了能够真正实现光催化技术的实用化，光催化剂的固定化显得极为重要，有待于进一步研究。传统的光电催化水分解制氢的方法是将N型半导体光阳极与P型半导体光阴极串联，中间采用透光的气体分离膜将阴、阳极室进行分割。但随着反应的持续进行，阳极室由于析氧反应会逐渐变酸，阴极室由于析氢反应会逐渐变碱，而大部分阳极材料更喜欢中性或者偏碱性环境，大部分阴极材料更喜欢偏酸性环境，因此大大地限制了水分解反应的持续进行。本专利技术提出将P型半导体光催化剂粉末和N型半导体光催化剂粉末分别附着于双极膜两侧的表面，并将其作为阴、阳极室的隔膜，进行光电催化还原CO2是基于以下考虑：①在光电作用下，双极膜中间界面层发生水解离生成H+和OH-离子，H+离子透过阳离子交换膜进入阴极室，参与CO2还原被消耗，OH-离子透过阴离子交换膜进入阳极室，并在阳极处发生水氧化反应被消耗。从理论上讲，双极膜水解离产生H+的速率等于阴极CO2还原消耗H+的速率，因此，不仅可以保证连续不断的H+供应，而且不会由于氢离子浓度过高而发生析氢反应。同样，双极膜水解离产生OH-的速率等于阳极氧化反应消耗OH-的速率，因此阳极室能够一直保持碱性条件，有利于水氧化反应的进行。②采用离子液体作为阴极液，不仅可以起到“固碳”的作用，提高CO2在反应体系中的溶解度，而且可以作为助催化剂，与半导体催化剂粉末协同催化CO2还原，同时还可以提高反应体系中质子的传递速率。③利用表面固定有半导体光催化剂粉末的双极膜作为阴、阳极室的隔膜，可以将阴极催化CO2还原与阳极析氧反应有效地分割于两个极室，同时进行阴极CO2还原与阳极水氧化反应，二者相互促进，提高光电催化效率。
技术实现思路
本专利技术的问题在于现有技术中半导体光催化剂粉末易团聚和反应后难以回收的问题，半导体光催化剂光生电子-空穴分离效率低的问题，半导体光催化剂不能稳定、高效、持续工作的问题，并提供双极膜表面粉末态光催化剂在CO2还原中的应用。为了解决上述问题，本专利技术所提供的双极膜表面粉末态光催化剂在CO2还原中的应用，所述应用是以表面附着有粉末态光催化的双极膜作为阴极室和阳极室的隔膜，所述双极膜的阳离子交换膜表面是附着有P型半导体光催化剂粉末；所述双极膜的阴离子交换膜表面是附着有N型半导体光催化剂粉末，将P型半导体光催化剂粉末作为阴极，将N型半导体光催化剂粉末作为阳极，阴极电解液为咪唑或吡啶类离子液体，阳极电解液为KOH或NaOH，采用氙灯作为光源，外加电压为0.5~2.0V作用下，阴极室进行光电催化CO2还原，阳极室进行水氧化反应。上述方案的附加技术特征如下。所述P型半导体光催化剂粉末是Ag2O、NiO、Cu2O、CoO和SnO中的一种或其组合。所述的N型半导体光催化剂粉末是为ZnO、TiO2、Fe2O3、CdS和SnO2中的一种或其组合。所述咪唑或吡啶类离子液体是1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐、氯化1-丁基-3-甲基咪唑、N-乙基吡啶六氟磷酸盐、N-乙基吡啶四氟硼酸盐、溴化N-乙基吡啶中的一种或其组合。实现本专利技术上述所提供的一种双极膜表面粉末态光催化剂在CO2还原中的应用，与现有技术相比，本专利技术所采用的表面附着有粉末态光催化的双极膜作为阴极室和阳极室的隔膜，该隔膜在太阳光和电场作用下进行光电催化CO2还原，有效地解决了半导体光催化剂粉末易团聚和反应后难回收的问题；同时，利用阳离子交换膜中的固定阴离子基团与阴离子交换膜中固定的阳离子基团分别对空穴和电子的吸引作用，将空穴-电子有效分离，解决了半导体光电催化过程中光生电子-空穴分离效率低的问题；更重要的是，双极膜中间界面层发生水解离生成H+和OH-离子，H+离子进入阴极室参与CO2还原反应，不仅保证连续不断的H+供应，而且不会由于氢离子浓度过高而发生析氢反应；OH-离子进入阳极室发生水氧化反应，维持了阳极室的碱性条件，有利于水氧化反应的进行。采用离子液体作为阴极液，不仅可以起到“固碳”的作用，提高CO2在反应体系中的溶解度，而且可以作为助催化剂，与半导体催化剂粉末协同催化CO2还原，同时还可以提高反应体系中质子的传递速率。此专利技术利用表面负载半导体光催化剂粉末的双极膜作为阴、阳极室的隔膜，可以将阴极催化CO2还原与阳极析氧反应有效地分割于两个极室，同时进行阴极CO2还原与阳极水氧化反应，二者相互促进，提高光电催化效率，实现了半导体粉末态光催化剂进行阴极CO2还原与阳极水氧化反应的高效、连续化操作。具体的优点与积极效果集中体现如下。本专利技术解决了半导体光催化剂粉末易团聚和反应后难回收的问题。本专利技术利用阳离子交换膜中的固定阴离子基团与阴离子交换膜中固定的阳离子基团分别对空穴和电子的吸引作用，将空穴-电子有效分离，解决了半导体光电催化过程中光生电子-空穴分离效率低的问题。本专利技术利用双极膜中间界面层发生水解离生成H+和OH-离子，维持了阴、阳极室pH的稳定，解决了半导体光催化剂不能稳定、高效、持续工作的问题。本专利技术利用双极膜中间界面层发生水解离生成H+和OH-离子，H+离子进入阴极室参与CO2还原反应，不仅保证连续不断的H+供应，而且不会由于氢离子浓度过高而发生析氢反应；OH-离子进入阳极室发生水氧化反应，维持了阳极室的碱性条件，有利于水氧化反应的进行。本专利技术采用离子液体作为阴极液，不仅可以起到“固碳”的作用，提高CO2在反应本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双极膜表面粉末态光催化剂在CO2还原中的应用，所述应用是以表面负载粉末态光催化的双极膜作为阴极室和阳极室的隔膜，所述双极膜的阳离子交换膜表面负载P型半导体光催化剂粉末；所述双极膜的阴离子交换膜表面负载N型半导体光催化剂粉末，将P型半导体光催化剂粉末作为阴极，将N型半导体光催化剂粉末作为阳极，阴极电解液为咪唑或吡啶类离子液体，阳极电解液为KOH或NaOH，采用氙灯作为光源，外加电压为0.5~2.0 V作用下，阴极室进行光电催化CO2还原，阳极室进行水氧化反应，应用于CO2还原反应。

【技术特征摘要】
1.一种双极膜表面粉末态光催化剂在CO2还原中的应用，所述应用是以表面负载粉末态光催化的双极膜作为阴极室和阳极室的隔膜，所述双极膜的阳离子交换膜表面负载P型半导体光催化剂粉末；所述双极膜的阴离子交换膜表面负载N型半导体光催化剂粉末，将P型半导体光催化剂粉末作为阴极，将N型半导体光催化剂粉末作为阳极，阴极电解液为咪唑或吡啶类离子液体，阳极电解液为KOH或NaOH，采用氙灯作为光源，外加电压为0.5~2.0V作用下，阴极室进行光电催化CO2还原，阳极室进行水氧化反应，应用于CO2还原反应。2.如权利要求1所述的双极膜表面粉末态光催化剂在C...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘宪，杨慧敏，宋秀丽，代红艳，赵煜，梁镇海，
申请(专利权)人：太原师范学院，
类型：发明
国别省市：山西,14