一种高温半导体催化剂及其应用制造技术

本发明专利技术公开了一种高温半导体催化剂，可在高温下保持优良光还原CO2性能。该种催化剂主要目的是针对光热催化过程中需要能够耐受高温的半导体催化剂，解决经典光催化剂稳定性受到温度限制的问题的同时，更有效地提高了二氧化碳转化效率及太阳能的利用率，能够将二氧化碳转化为更多的高价值的烷烃类产物，具有较强的实际应用前景。的实际应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种高温半导体催化剂及其应用


[0001]本专利技术属于光催化还原CO2
，具体涉及一种高温半导体催化剂，及其在光催化还原CO2
中的应用。

技术介绍

[0002]随着经济社会的发展，人们对能源的需求与日俱增。作为主要能源的化石能源与矿石能源带来了不可避免的环境问题，同时造成了能源危机。化石燃料燃烧排放的CO2打破了自然界的碳循环平衡，导致大气中CO2浓度持续增加，温室效应对人类生活的影响越来越突出。
[0003]开发新的能源是解决能源危机的关键之一。太阳能作为诸多能源之一，其庞大的能源储量一直被普遍认为是拯救人类免受即将到来的能源短缺以及使用化石燃料造成的环境问题的解决方法之一，光催化技术的探索对于能源行业有着非常重大的意义。
[0004]上个世纪末期就已经有了光催化技术的探索，1972年日本学者本多
‑
藤岛发现光催化技术可以用于分解水制氢，从此光催化技术引起了很多研究者的关注。现如今，利用太阳光这种丰富、清洁的可再生能源，以温室气体的主要成分CO2作为碳源，将CO2还原为高附加值产物，既能变废为宝，获得清洁能源，又能清除对环境的危害，减小温室效应带来的负面影响。
[0005]通过使用类似于自然光合作用的阳光来减少人工CO2是减少温室气体并向人类社会提供可持续能源的直接方法。虽然这个概念似乎可以简单地解决了能源短缺的严重问题，但其面临的问题非常复杂，导致工艺效率太低，实际上短期内无法投入使用。
[0006]新的替代光催化剂是解决此类问题的关键。近年来，大多数文献均有涉及到光催化活性材料的优化，但人们始终是将重心放在能在相对低温度的情况下发挥出性能的光催化活性材料上，对可在光与热同时作用下发挥出更高性能的光催化活性材料关注还不够。但幸运的是，近几年来有部分人已经意识到这一点，光热催化已经进入主流研究人员的视野，一些光催化剂在光热条件下的行为已经得到研究，但是由于时间有限，人们尚未意识到，光热催化剂需要对温度具有一定的耐受性。为了保持在高温下的光活性，需要高温半导体作为催化剂的基础。氮化硅材料作为第三代高温半导体中的一种，在高温下可保持结构稳定，有着稳定的物理结构和化学性质并可望在高温下也可发挥出颇为出色的光催化活性，结构的稳定对其重复使用的性能也有着重要的意义
[0007]由于氮化硅的独特性质，在半导体电子器件领域有着比较广泛的应用，在催化剂领域也有了初步应用，如CN202210025266就公开了一种利用其作为载体进行催化加氢反应的催化剂。但这只是利用其高比表面的基础性质，用于光催化剂的报道尚未见到。
[0008]据此，本专利技术提出了一种以铜、铁、钴、钌等元素中的一种或数种作为活性组分，与氮化硅高温半导体复合而成新型光催化剂。这种光催化剂材料以高温半导体Si3N4为载体，铜、铁、钴、钌等元素中的一种或数种作为活性组分，在高温条件下依旧能发挥出色的催化性能，取得较高的太阳能利用效率及CO2转化率，将CO2转化为具有高附加值的碳氢化合物。

技术实现思路

[0009]本专利技术的目的是针对
技术介绍
中的需要，提供了一种能够耐受温度，具有优良催化效率的新型高温半导体催化剂。本专利技术制备工艺简单，环保，成本较低，是实验室中值得深入探索的高温半导体材料，同时所述催化剂材料具有较高的催化活性及稳定性。
[0010]本专利技术所述的一种以氮化硅为载体，将铜、铁、钴、钌等元素中的一种或数种作为活性组分的高温半导体催化剂的制备方法，首先将半导体焙烧除杂，然后采用光热辅助喷涂法将活性物离子负载到载体表面，进一步用超声法提升离子分散度，最后焙烧得到目标催化剂。具体步骤如下：
[0011]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0012]本专利技术提供一种高温半导体催化剂，所述高温半导体催化剂按如下方法制备：
[0013]将Si3N4置于氙灯光源聚光下的焦点位置，第一次照射下将过渡金属盐的水溶液喷涂至所述Si3N4的表面，得到喷涂后的Si3N4；将所述喷涂后的Si3N4超声20
‑
40min后，继续置于氙灯光源聚光下的焦点位置，第二次照射10
‑
20min，于马弗炉中300
‑
500℃焙烧1
‑
3h(优选400℃焙烧2h)，得到所述高温半导体催化剂；
[0014]所述过渡金属盐的水溶液所含过渡金属盐为硝酸盐，所述过渡金属盐的水溶液所含过渡金属的理论质量为所述过渡金属盐的水溶液所含过渡金属理论质量和Si3N4的质量总和的0.2％
‑
0.5％(进一步为0.3％
‑
0.4％)。
[0015]进一步，所述Si3N4为β相Si3N4，粒径为1～3μm。更进一步，所述Si3N4还经过了如下预处理：于500℃，氮气气氛下焙烧2h。目的是去掉从出厂以来的吸附的空气中气体杂质。
[0016]优选地，所述过渡金属盐的水溶液的过渡金属盐总浓度为0.01
‑
0.1mol
·
L
‑1。
[0017]进一步，所述过渡金属盐的水溶液所含过渡金属为Fe、Cu、Co、Ru中的一种或两种以上，优选为Ru。
[0018]进一步，所述超声的时间为30min。
[0019]在本专利技术的一个实施例中，所述氙灯光源的功率为1000W，其功率大小只影响干燥时间，不影响催化性能。
[0020]在本专利技术的一个实施例中所述第二次照射的时间为10min。
[0021]将配制好的M(NO3)2溶液少量多次喷涂到Si3N4表面，以实现活性组分在半导体表面的负载并除去多余的水分；控制喷涂的M(NO3)2溶液中金属含量与载体的质量之比介于0.2％
‑
0.5％之间，即金属负载量介于0.2％
‑
0.5％(在多相催化中负载量定义＝金属活性组分质量/(金属活性组分质量+载体质量))。
[0022]焙烧温度太高，时间太长，活性成分会集结，影响催化性能；太低太短会导致硝酸根残留，也会降低催化性能。要注意，盐的阴离子只能是硝酸根，其它阴离子难以去除，影响活性，如硫酸根盐甚至会导致催化剂具有毒性。
[0023]另外，本专利技术还提供一种上述高温半导体催化剂在光热催化CO2和水制备甲烷中的应用。
[0024]具体地，所述应用为：以氙灯为光源，利用透镜聚光于密闭反应器中，以CO2和水作为反应物，在所述高温半导体催化剂下反应生成甲烷。
[0025]进一步，所述光源为1000W氙灯，所述高温半导体催化剂表面温度最高可达到350℃。
[0026]进一步，所述密闭反应器中CO2的气压为0.1MPa。
[0027]更进一步，通入CO2的温度为250℃，所述反应的时间为3h。
[0028]与现有的技术相比，本专利技术的有益效果在于：
[0029]提供了一种新型、实用、高效的高温半导体催化剂及其在CO2还原反应中的应用。关注温度对催化剂性能的影响，提供一种高温半本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高温半导体催化剂，其特征在于所述高温半导体催化剂按如下方法制备：将Si3N4置于氙灯光源聚光下的焦点位置，第一次照射下将过渡金属盐的水溶液喷涂至所述Si3N4的表面，得到喷涂后的Si3N4；将所述喷涂后的Si3N4超声20
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40min后，继续置于氙灯光源聚光下的焦点位置，第二次照射10
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20min，于马弗炉中300
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500℃焙烧1
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3h，得到所述高温半导体催化剂；所述过渡金属盐的水溶液所含过渡金属盐为硝酸盐，所述过渡金属盐的水溶液所含过渡金属的理论质量为所述过渡金属盐的水溶液所含过渡金属理论质量和Si3N4的质量总和的0.2％
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0.5％。2.如权利要求1所述的高温半导体催化剂，其特征在于：所述Si3N4为β相Si3N4，粒径为1～3μm。3.如权利要求1或2所述的高温半导体催化剂，其特征在于：所述Si3N4还经过了如下预处理：于500℃，氮气气氛下焙烧2h。4.如权利要求1所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：张泽凯，严威，章鼎，崔国凯，卢晗锋，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：