一种可见光照射下将CO2还原为甲醇的方法技术

本发明专利技术提供了一种可见光照射下将CO2还原为甲醇的方法，属于化工技术领域。其特征是：在可见光照射下，以CuInS2薄膜电极为光阴极，在水溶液中通过光电催化反应将CO2还原为甲醇。本发明专利技术中CO2还原为甲醇的过电位较低，因而降低了外加电能消耗。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种可见光照射下将CO2还原为甲醇的方法，属于化工

技术介绍
CO2的化学性质十分稳定，难于还原。CO2转化和去除往往需要在高温或高压条件下进行，能耗高。光催化却能在相对温和、低能耗、低成本的条件下实现。近年来，越来越多的研究者将目光转向CO2的光催化还原，特别是以太阳光作光源，通过光催化将CO2还原为有用的化学品，如甲醇、甲醛、甲酸、甲烷等。采用TiO2等半导体材料作光催化剂，在水溶液中或气相中可以将CO2还原为甲醇等小分子有机物。一般认为，当入射光能量高于半导体带隙能时，半导体光催化剂价带上的电子受到光激发跃迁到导带上，导带上的电子转移到吸附在光催化剂表面的水分子和CO2分子上，形成·Η和·αν，而·Η和·αν进一步反应生成甲醇等产物。要使CO2光催化还原为甲醇，半导体光催化剂的导带电位必须比生成甲醇的电位更负，而价带电位必须比生成甲醇的电位更正。许多宽禁带半导体的能带结构能够满足这一要求。相对于体材料而言，纳米半导体对CO2光催化还原的活性更高。将金属负载于半导体光催化剂表面，可以通过肖特基(SchOttky)能垒效应捕获光生电子，成为电子的聚集位；同时，金属又可作为CO2吸附态的重要吸附位，故可将电子快速传递给表面物种，促进光催化进行。不同金属负载于TiO2颗粒表面时，还原产物不同，以Cu/Ti02为光催化剂得到的还原产物主要是甲醇。在此基础上，通过n-p半导体复合，可以进一步提高光生电子和空穴的分离能力。例如，采用Cu/Zn0-Ni0、Cu/TO3-NiO、Cu/Ti02-Ni0复合半导体光催化剂可以明显促进CO2光催化反应。宽禁带半导体需要波长较短的紫外光才能被激发，对太阳光能的利用十分有限。为了提高对太阳光的利用率，人们研究了窄禁带光催化剂上CO2还原为甲醇的反应。以NiO/InTaO4为催化剂，在KHCO3水溶液中可以将CO2还原为甲醇，但是量子效率很低，只有2. 45%(Pei-Wen Pan, Yu-Wen Chen. Photocatalytic reduction of carbon dioxide on NiO/InTa04 under visible light irradiation. Catalysis Communications, 2007年，8卷，1546-1549页)。无论紫外光还是可见光照射下CO2的还原反应，都存在甲醇产率很低、选择性差的缺陷，这是因为虽然金属负载于半导体光催化剂表面可以促进光生电子和空穴分离，但是，扩散到半导体表面的光生空穴能够将生成的有机物氧化，造成选择性降低；而且，过多的金属负载降低了光催化剂的光照面积，导致催化剂活性下降。此外，伴随着CO2的还原反应,还发生水被还原为H2和H2O2的竞争反应,因而CO2光催化还原效率大大降低。采用其他还原剂(例如H2)代替水可以提高CO2光催化还原的效率和选择性，但是由于成本方面的原因，很难实际应用。CO2光催化还原反应的固有缺陷，阻碍了甲醇产率和选择性的进一步提闻 。采用电化学法也可以将CO2还原为甲醇，但是需要很高的电极过电位，能耗高。此夕卜，由于还原为甲醇、甲酸、甲醛、氢气等产物的电位比较接近，所以对甲醇的选择性比较低。析氢反应与CO2还原反应竞争，导致CO2还原产物产率和电化学效率下降。高效的CO2电化学还原必须抑制电极上的析氢反应，降低CO2还原反应过电位。人们采取了加入金属-聚吡啶配合物等方法降低CO2还原反应过电位，但是效果都不明显。在金属电极上采用电化学方法将CO2还原为甲醇，无法利用太阳光能，完全依靠外加电能，能耗高。而光催化又存在甲醇产率低、选择性差的缺点。光电催化则可以克服二者的缺点，是一种很有潜力的方法。
技术实现思路
本专利技术提供了一种可见光照射下将CO2还原为甲醇的方法，其特征在于在可见光照射下，以CuInS2薄膜电极为光阴极，在水溶液中通过光电催化反应将CO2还原为甲醇；该方法中CO2还原为甲醇的过电位较低。该方法包括以下步骤电解液采用KCl水溶液，并用稀硫酸调节pH值为4飞；电解液置于石英烧杯中，以CO2气体饱和；WCuInS2薄膜电极为工作电极，碳棒为对电极，饱和甘 汞电极为参比电极，以氙灯为照射光源，进行光电催化反应；在光电催化反应中，CuInSj^膜电极的外加偏压为-52(T-640mV (相对于饱和甘汞电极)(过电位为O 120mV)，反应温度为室温至60°C ;反应结束后，采用气相色谱测定反应产物甲醇的含量。具体实施方式实施例在50 mL O. 5M KCl水溶液中，用稀硫酸调节pH值为5. 2 ;将电解液置于石英烧杯中，通入CO2气体30min。以覆盖于铟锡氧化物导电玻璃上的CuInS2薄膜电极(面积为I.5cm2)为工作电极，碳棒为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，以35W氙灯为照射光源，进行光电催化反应。在光电催化反应中，CuInS2薄膜电极的外加偏压为_540mV (相对于饱和甘汞电极K过电位为20mV),反应温度为室温。反应结束后，采用气相色谱测定反应产物甲醇的含量。测得Ih时甲醇浓度为O. 20mM。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可见光照射下将CO2还原为甲醇的方法，其特征在于：在可见光照射下，以CuInS2薄膜电极为光阴极，在水溶液中通过光电催化反应将CO2还原为甲醇；该方法中CO2还原为甲醇的过电位较低。

【技术特征摘要】
1.一种可见光照射下将CO2还原为甲醇的方法，其特征在于在可见光照射下，以CuInS2薄膜电极为光阴极，在水溶液中通过光电催化反应将CO2还原为甲醇；该方法中CO2还原为甲醇的过电位较低。2.根据权利要求I所述的可见光照射下将CO2还原为甲醇的方法，其特征在于在光电催化反应中，采用的照射光源为可见光。3.根据权利要求I所述的可见光照射下将CO2还原为甲醇的方法，其特征在于在光电催化反应中，以CuInS2薄膜电极为光阴极。4.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：元炯亮，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：