一种新型可再生能源驱动的二氧化碳高效利用新方法技术

本发明专利技术利用太阳能进行光电催化二氧化碳还原以及污染物降解，目的就是为了克服半导体光催化剂光响应范围较窄，对太阳光的利用率低，光生载流子复合率高，光催化量子效率低，半导体光催化剂对二氧化碳吸附能力差，半导体光催化剂对二氧化碳活化能力弱等缺点制备出高效的半导体催化材料，以被Fe纳米片覆盖的Fe

A new method of efficient utilization of carbon dioxide driven by new renewable energy

【技术实现步骤摘要】
一种新型可再生能源驱动的二氧化碳高效利用新方法


[0001]本专利技术属于可再生能源领域，更具体地为一种新型可再生能源驱动的二氧化碳高效利用的新方法，尤其涉及一种，利用太阳能光电催化二氧化碳还原与污染物降解的方法。

技术介绍

[0002]化石燃料的使用导致二氧化碳大量排放所引起的温室效应和能源危机威胁着人类社会的持续发展，解决由温室气体二氧化碳所引起的危机已迫在眉睫。二氧化碳的还原，因其能实现对碳的循环利用，已经成为了研究的热点。现阶段人类社会已经从以下几个方面着手解决二氧化碳大量排放所导致的环境及气候问题：改变目前现有的能源结构，减少对化石燃料的开采与消耗，
[0003]发展绿色清洁的可再生能源；将大气中的二氧化碳收集分离并存储起来，以达到降低大气中二氧化碳含量的目的；实现以人工固碳的碳循环过程，开发将二氧化碳作为碳资源加以利用的人工方法。将二氧化碳资源化利用的过程中，不仅可以有效降低大气中二氧化碳的含量缓解温室效应带来的环境与气候问题，也可以通过二氧化碳资源化过程产生一些重要的化工原料和再生燃料从而到达减少对化石燃料依赖的目的。如此一来，即可以有效的缓解温室效应带来的环境问题，还能产生可再生燃料以缓解目前人类社会所面临的能源危机，一举两得。但是，由于二氧化碳分子作为一种直线型分子其具有较高的化学性质稳定性，因此对二氧化碳分子的活化过程是一个较为困难的过程。所以使用传统热催化方法将二氧化碳活化并还原为低价态的含碳化合物的过程将会是一个需要大量能源消耗的过程，这一过程实现势必会增加能耗负担。值得注意的是太阳光作为一种广泛存在且易获取的能量被认为是取之不竭的，而目前人类社会对太阳光能量的利用率还很低，若能像植物光合作用那样直接利用太阳光实现对二氧化碳的资源化利用将会极大的缓解人类社会目前所面临的困境。光电催化这一过程由于其具有可直接利用太阳光、反应可控以及反应条件温和等优点，使其在二氧化碳还原领域具有广阔的应用前景。
[0004]目前对于光电催化二氧化碳还原的研究尚存在着催化效率较低、光电极光利用率低、催化还原选择性差等问题。此外对于光电催化体系的构筑也存在着整体催化效率低等缺点。针对光电催化二氧化碳还原领域所存在的问题，本专利技术通过开发高效的阴极电催化剂以及高效的光阴极材料，从提高催化效率和提高光吸收效率作为主导，从而实现对二氧化碳的高效还原。此外，本专利技术还从转移电子平衡的角度出发设计了被Fe纳米片覆盖的珊瑚状Fe
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W
X
Mo1‑
X
O3光阳极和具有棒状结构的Cu/Co
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p
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Si NWs光阴极，并构筑了高效的双光照光电催化体系用于二氧化碳的还原协同污染物的处理。其中Fe的掺杂可以提高材料表面电子的传导速率，Cu/Co异质结有利于CO2的还原，两个电极相辅相成，共同促进了本体系的高效运行，对新型可再生能源驱动二氧化碳高效利用来说具有重要意义。

技术实现思路

[0005]光催化技术作为一种新型绿色催化技术，其过程是一个将光能直接转化为化学能
的过程，主要基于半导体材料的光电转换原理。利用半导体材料受光激发产生的光生电子和空穴对，并利用光生电子空穴对促进在半导体与溶液界面处发生氧化还原反应的过程，其中光生电子用于还原反应而空穴则用于氧化反应。光催化技术能够直接将太阳光能转化为化学能，本专利技术利用的基本原理如图1所示，当照射到半导体上的光能量大于半导体禁带宽度时，半导体价带上的电子会被光照激发从基态到激发态并越过半导体的禁带到达导带位置成为自由电子，而迁移到半导体材料表的自由电子则可以在半导体
‑
溶液界面处与反应物发生还原反应，而留在价带轨道上空缺的位置则被称为空穴，当空穴迁移到光催化剂表面时会从界面处夺取反应物电子使之元素价态升高进而发生氧化反应。而光催化二氧化碳还原的原理则正是基于这个基本原理所出发的，由于二氧化碳分子中碳原子处于最高价的氧化态不能进一步被夺取碳原子的电子，因此二氧化碳分子中的碳原子将会俘获半导体光催化剂光激发后产生的光生自由电子进而被还原到低价态的碳。当然，若要将二氧化碳分子还原需要克服一定的能垒才能使得反应进行下去，根据这个理论认为当那些导带位置高于二氧化碳标准还原电势的半导体光催化材料在受光激发后才能将二氧化碳还原为低价态的含碳化合物。
[0006]本专利技术的目的就是为了克服半导体光催化剂光响应范围较窄，对太阳光的利用率低，光生载流子复合率高，光催化量子效率低，半导体光催化剂对二氧化碳吸附能力差，半导体光催化剂对二氧化碳活化能力弱等缺点制备出高效的半导体催化材料，以被Fe纳米片覆盖的Fe
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W
X
Mo1‑
X
O3作为光阳极，以Cu/Co
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p
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Si NWs作为光阴极，构筑有效的光电催化体系，在光电催化污染物降解过程中的同时实现对二氧化碳还原。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0008]S1、制备：利用电化学阳极氧化法通过氧化刻蚀金属钨钼合金片得到珊瑚状Fe
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W
X
Mo1‑
X
O3。将不同合金含量的钨钼片分别置于无水乙醇、丙酮和去离子水中超声清洗10
‑
20min。配制浓度为0.4
‑
0.6mol/L NH4F和0.2
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0.4mol/L H3PO4的混合溶液作为阳极氧化制备珊瑚状W
X
Mo1‑
X
O3的电解液。将其烘干后作为阳极，Pt片作为对电极，在两端施加25
‑
95V的电压，通电1
‑
3h后，在马弗炉中煅烧400
‑
600℃，煅烧时间为3h，即可获得W
X
Mo1‑
X
O3，随后将其浸泡到1
‑
3mol/LFe(NO3)2或FeCl3溶液中进行原位刻蚀，即可得被Fe纳米片覆盖的珊瑚状Fe
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W
X
Mo1‑
X
O3光阳极。
[0009]S2、采用金属辅助溶液刻蚀法制备p型硅纳米线：分别用丙酮、乙醇和去离子水超声清洗单晶p型硅晶圆以除去晶圆表面的有机污染物。然后在硫酸和双氧水中，将温度加热到80
‑
95℃后深度清洗10
‑
25min。在40℃下，将清洗过的p型硅晶圆放入3
‑
6mol/L氢氟酸和15
‑
30mmol/L硝酸银的混合溶液中水浴20
‑
25min。之后将刻蚀结束的硅片取出，用大量超纯水清洗后，室温下浸渍于浓硝酸中除去刻蚀过程中产生的银枝晶，用丙酮清洗后即可获得p
‑
Si NWs。
[0010]S3、：配制0.1
‑
0.5mol/L的硝酸铜和0.2
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0.6mol/L的硝酸钴的水溶液作本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种新型可再生能源驱动的二氧化碳高效利用的新方法，具体为利用太阳能光电催化二氧化碳还原与污染物降解的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：S1、将不同合金含量的钨钼片分别置于无水乙醇、丙酮和去离子水中超声清洗10
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20min。配制浓度为0.4
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0.6mol/L NH4F和0.2
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0.4mol/L H3PO4的混合溶液作为阳极氧化制备珊瑚状W
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Mo1‑
X
O3的电解液；将其烘干后作为阳极，Pt片作为对电极，在两端施加25
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95V的电压，通电1
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3h后，在马弗炉中煅烧400
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600℃，煅烧时间为3h，即可获得W
X
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O3，随后将其浸泡到1
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3mol/L Fe(NO3)2或FeCl3溶液中进行原位刻蚀，制备被Fe纳米片覆盖的珊瑚状Fe
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W
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Mo1‑
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O3光阳极；S2、分别用丙酮、乙醇和去离子水超声清洗单晶p型硅晶圆以除去晶圆表面的有机污染物，然后在硫酸和双氧水中，将温度加热到80
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95℃后深度清洗10
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25min，在40℃下，将清洗过的p型硅晶圆放入3
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6mol/L氢氟酸和15
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30mmol/L硝酸银的混合溶液中水浴20
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25min，之后将刻蚀结束的硅片取出，用大量超纯水清洗后，室温下浸渍于浓硝酸中除去刻蚀过程中产生的银枝晶，用丙酮清洗后即可获得p
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SiNWs；S3、配制0.1
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0.5mol/L的硝酸铜和0.2
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0.6mol/L的硝酸钴的水溶液作为电解液，以步骤S2制备的p
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SiNWs作为工作电极，铂片作为对电极，Ag/AgCl作为参比电极搭建三电极...

【专利技术属性】
技术研发人员：王志章，曾荣佳，柯明，韩云，王瀚翔，陈文浩，
申请(专利权)人：北京石大油源科技开发有限公司，
类型：发明
国别省市：