一种铬氧化物负载的二氧化钛光催化剂、其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种具有优异二氧化碳还原性能的铬氧化物负载的二氧化钛光催化剂的制备方法，包括：水热法制备二氧化钛纳米片；将所述二氧化钛纳米片分散于水中，得到二氧化钛悬浮液；将铬酸钾水溶液与二氧化钛悬浮液混合，超声分散，得到铬前驱体溶液；将铬前驱体溶液进行可见光沉积，光沉积结束后，清洗、冷冻、干燥后得到铬氧化物负载的二氧化钛光催化剂。本发明专利技术首先通过经典水热法来制备主催化剂锐钛矿型二氧化钛纳米片，然后通过可见光沉积方法制备铬氧化物助催化剂负载的二氧化钛光催化剂。其光催化还原二氧化碳生成甲烷的速率为0.42μmol h

【技术实现步骤摘要】
一种铬氧化物负载的二氧化钛光催化剂、其制备方法和应用
本专利技术涉及催化剂材料
，尤其是涉及一种铬氧化物负载的二氧化钛光催化剂、其制备方法和应用。
技术介绍
当今社会面临的能源危机和环境污染两大问题已经严重制约着人类社会的发展。一方面，社会的不断发展使得人类对于能源的需求越来越大，而煤炭、石油、天然气等化石燃料储量有限且不可再生，终将消耗殆尽。另一方面，传统化石燃料的燃烧难以避免地引起一系列的环境问题。比如，二氧化碳等温室气体的排放加剧了温室效应；二氧化硫、二氧化氮、可吸入颗粒物等引起酸雨、光化学烟雾等，进而对人类的生存环境产生严重威胁。因此，亟待发展可持续清洁能源的利用和转化过程。光催化还原二氧化碳就是利用丰富的太阳能将温室气体二氧化碳转化为有价值的太阳能燃料(如甲烷、甲醇、甲醛，甚至是高碳化合物)的过程，对于人类社会的长远发展具有重要意义。二氧化钛(TiO2)是研究最广泛的光催化剂之一，但由于其载流子复合严重，且仅对太阳光谱中占比不足5％的紫外光响应，导致纯TiO2的能量转换效率较低。此外，光催化二氧化碳还原是一个涉及多步电子转移的反应过程，还原产物复杂多样，这导致产物选择性很低。负载助催化剂被认为是解决上述问题最有效的策略之一。它通常起着促进载流子分离、加速表面反应动力学、抑制逆/副反应等重要作用。现有技术中，对于宽禁带的半导体光催化剂进行光沉积负载助催化剂时，往往需要使用能量大于或等于其禁带宽度的紫外光进行辐照。本专利技术中，提出的可见光负载助催化剂的方法，更加节能、经济。对于铬或其氧化物修饰一些半导体的研究，已经有文献报道其作为助催化剂可增强其光吸收、抑制光生载流子的复合，进而提高催化性能(Corros.Sci.,2013,68,101；Chem.Commun.,2019,55,6305)。日本的Domen课题组已经证明Cr2O3与贵金属Rh形成核壳结构作为助催化剂可以促进水的全分解(Angew.Chem.Int.Ed.,2006,45,7806；J.Phys.Chem.C,2009,113,10151；EnergyEnviron.Sci.,2010,3,471)。近年来类似的核壳结构也应用于CO2还原领域(ACSCatal.,2015,5,5342；ACSSustainableChem.Eng.,2019,7,2083；J.Phys.Chem.C,2019,123,2894)。但上述核壳结构需要精准控制铬氧化物与贵金属的比例，负载过程较为复杂，增大了其工业应用的难度和成本。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术要解决的技术问题在于提供一种铬氧化物负载的二氧化钛光催化剂的制备方法，本专利技术制备的催化剂催化活性和选择性高，成本低，无需贵金属的使用。本专利技术提供了一种铬氧化物负载的二氧化钛光催化剂的制备方法，包括：A)水热法制备二氧化钛纳米片；B)将所述二氧化钛纳米片分散于水中，得到二氧化钛悬浮液；将铬酸钾水溶液与二氧化钛悬浮液混合，超声分散，得到铬前驱体溶液；C)将铬前驱体溶液进行可见光沉积，光沉积结束后，清洗、冷冻、干燥后得到铬氧化物负载的二氧化钛光催化剂。优选的，所述水热法制备二氧化钛纳米片具体为：钛酸四丁酯和氢氟酸加热反应，得到反应产物；反应产物经无水乙醇、去离子水清洗、干燥得到二氧化钛纳米片；所述反应温度为160～200℃；反应时间为36～50h；所述干燥温度为60～80℃。优选的，所述铬酸钾水溶液的浓度为0.03～0.05mol/L；所述铬酸钾水溶液和二氧化钛悬浮液的体积比为0.25％～1％。优选的，所述步骤B)具体为：将所述二氧化钛纳米片分散于水中，搅拌20～30min，超声3～5min；将铬酸钾水溶液滴入二氧化钛悬浮液中，继续搅拌20～30min，超声分散20～60s，得到铬前驱体溶液。优选的，所述步骤C)可见光沉积参数为：真空度为-0.1Mpa；300W氙灯配合波长范围为400nm～460nm截止滤波片用作辐射光源，顶照式光照3～4h，光源距催化剂12～15cm，光沉积过程中铬前驱体溶液保持搅拌，并利用循环水保持温度在12～16℃。优选的，所述步骤C)中清洗为离心后去离子水清洗，所述离心转速为1000r/min以下，离心时间为30s～60s。优选的，所述步骤C)冷冻为液氮进行冷冻；所述干燥为-35℃～-50℃下真空干燥20～24h。本专利技术提供了一种铬氧化物负载的二氧化钛光催化剂，由上述技术方案任意一项所述的制备方法制备得到。本专利技术提供了上述任意一项所述的制备方法制备得到的铬氧化物负载的二氧化钛光催化剂在光催化还原二氧化碳中的应用。本专利技术提供了一种光催化还原二氧化碳方法，采用的催化剂为上述技术方案任意一项所述的制备方法制备得到铬氧化物负载的二氧化钛光催化剂。与现有技术相比，本专利技术提供了一种铬氧化物负载的二氧化钛光催化剂的制备方法，包括：A)水热法制备二氧化钛纳米片；B)将所述二氧化钛纳米片分散于水中，得到二氧化钛悬浮液；将铬酸钾水溶液与二氧化钛悬浮液混合，超声分散，得到铬前驱体溶液；C)将铬前驱体溶液进行可见光沉积，光沉积结束后，清洗、冷冻、干燥后得到铬氧化物负载的二氧化钛光催化剂。本专利技术首先通过经典水热法来制备主催化剂锐钛矿型二氧化钛纳米片，然后通过可见光沉积方法制备铬氧化物助催化剂负载的二氧化钛光催化剂。其光催化还原二氧化碳生成甲烷的速率为0.42μmolh-1，分别是纯二氧化钛和紫外光沉积铬氧化物助催化剂负载的二氧化钛光催化剂的13倍和6倍，而且甲烷的选择性高达98％。本专利技术合成方法简单，得到的材料易于应用，有利于在工业化生产中推广应用。附图说明图1为制备的锐钛矿相TiO2样品的低分辨率TEM；图2为制备的锐钛矿相TiO2、可见光沉积铬氧化物助催化剂负载的TiO2VIS1.0样品和紫外光沉积铬氧化物助催化剂负载的TiO2UV1.0样品的XRD衍射图；图3纯TiO2、可见光沉积含量不同铬氧化物光催化剂与紫外光沉积铬氧化物助催化剂的光催化二氧化碳还原的产物甲烷的产生速率；图4为制备的可见光沉积的铬氧化物助催化剂VIS1.0样品的高分辨TEM；图5为可见光沉积1.0wt％铬氧化物助催化剂的锐钛矿相TiO2VIS1.0光催化还原二氧化碳生成气体产物的性能图。具体实施方式本专利技术提供了一种铬氧化物负载的二氧化钛光催化剂、其制备方法和应用，本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当改进工艺参数实现。特别需要指出的是，所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都属于本专利技术保护的范围。本专利技术的方法及应用已经通过较佳实施例进行了描述，相关人员明显能在不脱离本
技术实现思路
、精神和范围内对本文的方法和应用进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本专利技术技术。本专利技术提供了一种铬氧化物负载的二氧化钛光催化剂的制备方法，包括：A)水热法制备二氧化钛纳米片；B)将所述二氧化钛纳米片分散于水中，得到二氧化钛悬本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铬氧化物负载的二氧化钛光催化剂的制备方法，其特征在于，包括：/nA)水热法制备二氧化钛纳米片；/nB)将所述二氧化钛纳米片分散于水中，得到二氧化钛悬浮液；将铬酸钾水溶液与二氧化钛悬浮液混合，超声分散，得到铬前驱体溶液；/nC)将铬前驱体溶液进行可见光沉积，光沉积结束后，清洗、冷冻、干燥后得到铬氧化物负载的二氧化钛光催化剂。/n

【技术特征摘要】
1.一种铬氧化物负载的二氧化钛光催化剂的制备方法，其特征在于，包括：
A)水热法制备二氧化钛纳米片；
B)将所述二氧化钛纳米片分散于水中，得到二氧化钛悬浮液；将铬酸钾水溶液与二氧化钛悬浮液混合，超声分散，得到铬前驱体溶液；
C)将铬前驱体溶液进行可见光沉积，光沉积结束后，清洗、冷冻、干燥后得到铬氧化物负载的二氧化钛光催化剂。


2.根据权利要求1所述的催化剂，其特征在于，所述水热法制备二氧化钛纳米片具体为：
钛酸四丁酯和氢氟酸加热反应，得到反应产物；反应产物经无水乙醇、去离子水清洗、干燥得到二氧化钛纳米片；所述反应温度为160～200℃；反应时间为36～50h；所述干燥温度为60～80℃。


3.根据权利要求1所述的催化剂，其特征在于，所述铬酸钾水溶液的浓度为0.03～0.05mol/L；所述铬酸钾水溶液和二氧化钛悬浮液的体积比为0.25％～1％。


4.根据权利要求1所述的催化剂，其特征在于，所述步骤B)具体为：将所述二氧化钛纳米片分散于水中，搅拌20～30min，超声3～5min；将铬酸钾水溶液滴入二氧化钛悬浮液中，继续搅拌20～30min，超声分散20～60s，得...

【专利技术属性】
技术研发人员：董晶晶，朱晓娣，鲍骏，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34