一种掺杂的Co3O4纳米材料及其应用制造技术

本发明专利技术涉及光催化剂及其制备技术领域，公开了一种掺杂的Co3O4纳米材料及其应用，所述催化剂包括活性组分和掺杂剂，所述活性组分和掺杂剂按质量比为：15

【技术实现步骤摘要】
一种掺杂的Co3O4纳米材料及其应用


[0001]本专利技术涉及光催化剂及其制备
，尤其涉及一种掺杂的Co3O4纳米材料及其应用。

技术介绍

[0002]化石燃料燃烧提供能源的同时，伴随着巨量的CO2气体排放，导致的温室效应成为无法回避的环境问题；近二十年来，科学研究表明将CO2中的碳原子转化成具有利用价值的燃料是具有现实的可能性，不仅能缓解大气层中CO2过多而导致的温室问题还能创造出新价值，因此备受科研工作者的关注；在众多的还原二氧化碳研究中，光催化还原CO2因其环境友好和成本低廉等优势研究颇多。利用太阳能这一可再生能源的能量和光催化剂的共用作用使CO2分子和水分子转化为有价值的化合物具有相当大的前景。
[0003]就目前而言，光催化还原CO2也面临着光催化效率相对较低、催化剂合成的手段复杂制备成本高等限制因素；所以为了提高CO2光催化还原的实用性，研究成本低廉、制备方法简易、可大量合成且具有高选择、高稳定性的半导体光催化剂具有很高的现实意义。
[0004]Co3O4因其优良的电子迁移速率和合适的能带位置而被应用到光催化反应中；但是对于纯Co3O4而言，在光催化还原CO2过程中，光生载流子的复合速度过高使其催化性能较差，并且使用水热法制备的Co3O4催化剂产量低，合成条件相对复杂且耗时，并不利于实际应用；但随着科研的进展，大量的研究结果表明掺杂是一种较好材料改性方法；对材料进行掺杂，可以改善材料的载流子的过快复合，成为催化剂改性的一种有效策略。目前报道的大多掺杂Co3O4 材料制备方法中，一般是在水热合成原料中加入合适的源，进而制备掺杂Co3O4 材料，受制于反应釜的容量，导致合成的产物产量相对较低。且通过简单的加大反应釜体积的途径来提高产物的产量也会因反应釜体积过大导致受热不均从而使合成材料掺杂不均匀、Co3O4物相不纯等问题。因此，迫切需要合成方法简单、生产成本低、可宏量制备的掺杂Co3O4纳米催化剂的制备方法。

技术实现思路

[0005]为解决产量低，合成条件相对复杂且耗时，并不利于实际应用的技术问题，本专利技术提供一种掺杂的Co3O4纳米材料及其应用。
[0006]本专利技术采用以下技术方案实现：一种掺杂的Co3O4纳米材料催化剂，所述催化剂包括活性组分和掺杂剂，所述活性组分和掺杂剂按质量比为：15
‑
25:1。
[0007]优选的，所述活性组分为Co3O4，掺杂剂为非金属元素。
[0008]优选的，所述非金属元素为氮、硫、硼、氟中至少的一种。
[0009]优选的，所述非金属元素采用硫元素。
[0010]一项掺杂Co3O4纳米材料催化剂的制备方法，包括以下步骤：
[0011]S1原料计量称取：称取质量比为15
‑
25：1：50
‑
150的乙酸钴、非金属元素和NaBH4；
[0012]S2原料混合研磨：首先将计量后的乙酸钴进行研磨，将计量后的掺杂剂升华并添
加至乙酸钴当中继续研磨得到第一粉末，此后将计量的NaBH4添加至第一粉末当中继续研磨得到第二粉末；
[0013]S3清洗干燥：将步骤S2制备的第二粉末进行水洗，之后将水洗的沉淀物冷冻干燥即制备得到该纳米材料。
[0014]优选的，所述乙酸钴研磨时间为0.5
‑
1.5分钟，掺杂剂升华并添加至乙酸钴当中研磨时间为8
‑
15分钟，NaBH4添加至第一粉末当中研磨时间为8
‑
15分钟。
[0015]优选的，所述第二粉末置于球磨机中，转速为250
‑
300转每分钟，研磨时间为1.5
‑
2.5小时。
[0016]优选的，所述第二粉末加入大量二次水洗涤，收集至离心管，离心水洗2
‑
5 次，用去离子水和乙醇洗涤的沉淀物冷冻干燥6.8
‑
8.5小时。
[0017]一种掺杂Co3O4纳米材料的催化方法，所述纳米材料用于将CO2催化还原以制备CH3OH。
[0018]优选的，包括如下步骤：
[0019]S4将纳米材料涂覆在玻璃材料表面，干燥后置于光催化反应槽中；
[0020]S5向反应槽中加入水，密封后开启循环冷凝水，真空抽滤以除去体系中杂质气体，通入二氧化碳并进行光照催化。
[0021]优选的，所述二氧化碳的压强为75
‑
85KPa，所述循环冷凝水温度0
‑
6℃。
[0022]相比现有技术，本专利技术的有益效果在于：
[0023]1、本专利技术提供一种均匀掺杂的Co3O4纳米材料的合成方案和光催化还原 CO2的应用方法，将非金属元素的掺杂剂进行升华后进行混合掺杂操作，改变传统水热合成方式制作繁琐，不便大剂量大批量制备的问题，改善受制于反应釜的容量，导致合成的产物产量相对较低的问题，能够利用简单的球磨技术合成纳米材料催化剂的方案，可宏量制备且掺杂均匀。
[0024]2、本专利技术通过掺杂的方式，使掺杂形成的Co3O4纳米材料形成了中间带系，拓宽了光吸收范围，改善了导电性，从而促进了光生电荷迁移，进而提升了催化性能，同时掺杂剂的引入改善了对催化物种的吸附能，使得光生载流子充分参与反应，在一定程度上解决了目前光催化剂催化性能较低的问题。
[0025]3、本专利技术制备的Co3O4纳米材料结构的催化剂用于光催化还原CO2表现出优异的催化活性，选择性相对较高且产物易分离、催化稳定性可达60小时，这种活性高、稳定性好且可控宏量制备的催化剂具有较高的实际应用价值。
附图说明
[0026]图1为本专利技术制备的S
‑
Co3O4纳米材料催化剂的X射线衍射(XRD)图；
[0027]图2为本专利技术制备的掺杂的Co3O4纳米材料催化剂实现大量合成图；
[0028]图3为本专利技术制备的Co3O4、S
‑
Co3O4纳米材料催化剂的Raman谱图；
[0029]图4为本专利技术中纯Co3O4纳米材料的透射电子显微镜(TEM)图(a)，以及S
‑
Co3O4纳米材料的透射电子显微镜(TEM)图(b)；
[0030]图5为本专利技术中S
‑
Co3O4纳米材料高分辨透射电子显微镜(HRTEM)图；
[0031]图6为S
‑
Co3O4纳米材料的EDS
‑
Mapping谱图；
[0032]图7为本专利技术中Co3O4、S
‑
Co3O4纳米材料催化剂光致发光(PL)谱图；
[0033]图8为Co3O4、S
‑
Co3O4纳米材料光催化还原CO2产CH3OH和CO效率图；
[0034]图9为S
‑
Co3O4纳米材料光催化还原CO2产CH3OH稳定性图；
[0035]图10为本专利技术制备的S
‑
Co3O4纳米材料催化剂的Uv<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种掺杂的Co3O4纳米材料催化剂，其特征在于，所述催化剂包括活性组分和掺杂剂，所述活性组分和掺杂剂按质量比为：15
‑
25:1。2.如权利要求1所述的一种掺杂的Co3O4纳米材料，其特征在于，所述活性组分为Co3O4，掺杂剂为非金属元素。3.如权利要求1所述的一种掺杂的Co3O4纳米材料，其特征在于，所述非金属元素为氮、硫、硼、氟中至少的一种。4.一种如权利要求1～3任意一项所述的掺杂Co3O4纳米材料催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1原料计量称取：称取质量比为15
‑
25：1：50
‑
150的乙酸钴、非金属元素和NaBH4；S2原料混合研磨：首先将计量后的乙酸钴进行研磨，将计量后的掺杂剂升华并添加至乙酸钴当中继续研磨得到第一粉末，此后将计量的NaBH4添加至第一粉末当中继续研磨得到第二粉末；S3清洗干燥：将步骤S2制备的第二粉末进行水洗，之后将水洗的沉淀物冷冻干燥即制备得到该纳米材料。5.如权利要求4所述的掺杂Co3O4纳米材料催化剂的制备方法，其特征在于，所述乙酸钴研磨时间为0.5
‑
1.5分钟，掺杂剂升华并添加至乙酸钴当中研磨时间为8
‑
15分钟，NaBH4...

【专利技术属性】
技术研发人员：高山，金鑫，张灰灰，方洋洋，
申请(专利权)人：安徽大学，
类型：发明
国别省市：