一种用于生物能转化的催化剂、制备方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种用于生物能转化的催化剂、制备方法及应用。以g

【技术实现步骤摘要】
一种用于生物能转化的催化剂、制备方法及应用


[0001]本专利技术属于催化剂制备技术及生物精炼领域，具体涉及一种用于生物能转化的催化剂、制备方法及应用。

技术介绍

[0002]木质素作为地球上最丰富的可再生芳香族天然聚合物，它可以提供高附加值的芳香族单体，具有取代化石资源的潜力，是一种重要的生物能源。然而，由于木质素本身的缺陷与复杂结构导致其难以实现高效的生物能转化。木质素中的芳香基团主要通过C
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C键和C
‑
O键连接，因此，在保持芳香基团完整的同时，选择性切割C
‑
C键和C
‑
O键是解聚木质素的关键。由于2
‑
苯氧基
‑1‑
苯乙醇(β
‑
O
‑
4型)木质素占天然木质素的43
‑
62％，且同时存在C
‑
C键和C
‑
O键，因此β
‑
O
‑
4型木质素通常是解聚研究的重点。使用半导体光催化技术在温和条件下选择性切割木质素模型化合物中的C
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C/C
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O键得到有价值的芳香族单体已成为解决能源问题的一种前瞻性技术，吸引了科学家的极大兴趣。尽管近年来关于光催化剂成功选择性切割C
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O键的报道越来越多，但用于断裂C
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C键的合适光催化剂却依旧很少，原因是C
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C键的离解能(264.3kJ/mol)大于C
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O键的解离能(247.9kJ/mol)，这成为制约解聚木质素研发的瓶颈。此外，优异的光催化效果必须光捕获、光生电荷、电荷利用三个串联过程均在其最佳条件，因此木质素模型物在氧化和还原位点的吸附是选择性催化的关键。
[0003]石墨相氮化碳(g
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C3N4)因其成本低、易于制造、环境友好、稳定性高等特点已成为光催化领域的热点之一。前人的研究证明，g
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C3N4与β
‑
O
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4模型化合物存在强烈的π
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π共轭效应，能够促进β
‑
O
‑
4模型化合物中C
‑
C键的断裂。然而，裸g
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C3N4存在带隙宽(2.7eV)、可见光吸收范围窄、π共轭聚合结构增强载流子重组等固有缺陷，导致得到芳香单体的产率不高且需要严格的紫外光环境，而紫外光占太阳光谱的比例不到5％，严重限制了其在木质素C
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C键裂解研究中的进一步应用。
[0004]综上所述，近年来对β
‑
O
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4木质素模型化合物中的C
‑
C键断裂研究取得了相应的进展，但在可见光下，β
‑
O
‑
4木质素模型化合物解聚产物的产率仍然较低，尽管与CdS的偶联能够克服g
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C3N4固有的缺点，但光生电荷的分离效率和还原位点对木质素模型物的吸附仍然是一个严重的问题。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的上述不足，本专利技术提供一种用于生物能转化的催化剂、制备方法及应用，有效改善催化剂的光响应范围和抑制电子空穴对的复合，提供最佳的氧化还原位点，克服现有技术中存在的可见光下木质素选择性断裂C
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C键得到芳香单体的产率不高的问题。
[0006]为实现上述目的，本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0007]一种用于生物能转化的催化剂，包括g
‑
C3N4纳米片，在所述的g
‑
C3N4纳米片上负载CdS和还原氧化石墨烯；
[0008]还原氧化石墨烯为纳米片；
[0009]CdS的直径为2～3μm。
[0010]可选的，由g
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C3N4纳米片、还原氧化石墨烯rGO和CdS纳米颗粒复合制备得到；
[0011]按质量百分比计，CdS的质量分数为5％，还原氧化石墨烯纳米片的质量分数为0.5％～8％，余量为g
‑
C3N4。
[0012]本专利技术所述的用于生物能转化的催化剂的制备方法，制备方法包括：
[0013]制备质子化CdS，之后制备CdS/rGO，CdS/rGO的水溶液与g
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C3N4纳米片的甲醇溶液混合，干燥后加热处理得到g
‑
C3N4/rGO/CdS；
[0014]还原氧化石墨烯的质量占CdS质量的10％～160％，CdS/rGO与水的固液比为1g:1000mL，g
‑
C3N4纳米片与甲醇的固液比为1g:50～60mL，g
‑
C3N4纳米片与CdS/rGO水溶液的固液比为1g:50mL。
[0015]可选的，所述的制备质子化CdS，包括：
[0016]将CdS添加到0.5mol/L HCl水溶液中并超声处理，再将酸悬浮液中剥离的CdS在室温下剧烈搅拌以进一步质子化，离心、洗涤和干燥后得到质子化CdS；
[0017]其中CdS和HCl水溶液的固液比为1g:200～300mL。
[0018]可选的，所述的制备CdS/rGO，包括：
[0019]将质子化的CdS和还原氧化石墨烯加入到水中，超声处理，常温搅拌得到混合溶液，向混合溶液中加入0.1g/mL NaBH4溶液，80℃下继续搅拌，冷却至室温，离心、洗涤和干燥后，得到CdS/rGO；其中质子化CdS与水的固液比为1g:700～800mL，氧化石墨烯与水的固液比为1g:200～300mL，NaBH4溶液与混合溶液的体积比为1:5。
[0020]可选的，将CdS添加到0.5mol/L HCl水溶液中进行超声处理，再进行搅拌，超声处理时间为1～2h，搅拌时长为4～5h；
[0021]质子化的CdS和还原氧化石墨烯加入水中，超声处理时长为1～3h，后常温搅拌1～1.5h。
[0022]可选的，所述的制备g
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C3N4/rGO/CdS，包括：
[0023]将制备的CdS/rGO加入水中，得到CdS/rGO水溶液；将g
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C3N4纳米片分散在甲醇中，加入CdS/rGO水溶液，80℃下水浴干燥后，置于180℃下加热，得到g
‑
C3N4/rGO/CdS。
[0024]可选的，向混合物中加入NaBH4溶液后，80℃下搅拌时长为3～4h，180℃下加热时长为2～3h。
[0025]可选的，所述的g
‑
C3N4纳米片的制备方法包括：
[0026]将三聚氰胺在马弗炉中以2.3℃/min的升温速率，在550℃下保持4h，得到g
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C3N4块体；将g
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C3N4块体研磨成粉末后放入马弗炉中以5℃/min的升温速率，在520℃下保持5h，得到g
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于生物能转化的催化剂，其特征在于，包括g
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C3N4纳米片，在所述的g
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C3N4纳米片上负载CdS和还原氧化石墨烯；还原氧化石墨烯为纳米片；CdS的直径为2～3μm。2.根据权利要求1所述的用于生物能转化的催化剂，其特征在于，由g
‑
C3N4纳米片、还原氧化石墨烯rGO和CdS纳米颗粒复合制备得到；按质量百分比计，CdS的质量分数为5％，还原氧化石墨烯纳米片的质量分数为0.5％～8％，余量为g
‑
C3N4。3.一种权利要求1或2所述的用于生物能转化的催化剂的制备方法，其特征在于，制备方法包括：制备质子化CdS，之后制备CdS/rGO，CdS/rGO的水溶液与g
‑
C3N4纳米片的甲醇溶液混合，干燥后加热处理得到g
‑
C3N4/rGO/CdS；还原氧化石墨烯的质量占CdS质量的10％～160％，CdS/rGO与水的固液比为1g:1000mL，g
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C3N4纳米片与甲醇的固液比为1g:50～60mL，g
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C3N4纳米片与CdS/rGO水溶液的固液比为1g:50mL。4.根据权利要求3所述的用于生物能转化的催化剂的制备方法，其特征在于，所述的制备质子化CdS，包括：将CdS添加到0.5mol/L HCl水溶液中并超声处理，再将酸悬浮液中剥离的CdS在室温下剧烈搅拌以进一步质子化，离心、洗涤和干燥后得到质子化CdS；其中CdS和HCl水溶液的固液比为1g:200～300mL。5.根据权利要求3所述的用于生物能转化的催化剂的制备方法，其特征在于，所述的制备CdS/rGO，包括：将质子化的CdS和还原氧化石墨烯加入到水中，超声处理，常温搅拌得到混合溶液，向混合溶液中加入0.1g/mL NaBH4溶液，80℃下继续搅拌，冷却至室温，离心、洗涤和干燥后，得到CdS/rGO...

【专利技术属性】
技术研发人员：李宇亮，杨新雨，徐帅，徐晓彤，
申请(专利权)人：长安大学，
类型：发明
国别省市：