Ni–TiO2光催化还原CO2和水制备甲烷

Ni–TiO2光催化还原CO2和水制备甲烷

摘要：光催化是一种最潜在的方法来减少二氧化碳转化为有用的化合物。在这个工作中,为了提高照片的二氧化碳减少,镍离子被嵌入二氧化钛作为光催化剂。XRD 和TEM结果显示与纳米二氧化钛锐钛矿结构。表面的特点用BET和电动电势测量。经紫外可见和PL的光化学属性。二氧化碳减排测试液体反应器和GC对产品进行了分析。Ni-TiO2(0.1摩尔%)相比其他催化剂有最高收益率的甲烷。

简介

在过去的几十年中,快速推动了全球能源需求不断增长的世界人口。如今,能源基础设施几乎依赖于化石燃料。使用化石燃料产生的温室气体如二氧化碳(CO2),这是全球变暖的主要原因[1,2]。为了解决这个问题,许多研究人员正努力开发替代能源和利用二氧化碳。有三种途径:利用二氧化碳CO2转化为燃料,利用二氧化碳作为化工原料,以及非转换使用的二氧化碳。在各种方法中,光催化还原二氧化碳与水成烃燃料和有用的化学物质是值得注意的方式来生产能源与缓解全球气温降低二氧化碳浓度[3 - 5]。 Inoue at al [6]报道,HCOOH一氧化碳,CH3OH,甲烷是主要的产品在CO2和H2O的光致还原作用。

在一般情况下,运输过程中电子和空穴在光催化反应中可以通过几个步骤来解释:光吸收,运输光生电子和空穴在光催化剂表面,反应的电子和空穴,电子和空穴的复合光催化剂表面和反应物的传质[7]。

在各种半导体如氧化钛(二氧化钛)[8],氧化钨电致)[9],氧化锌(氧化锌)[10]、磷化镓(GaP)[11],硫化镉(cd)[12],和碳化硅(SiC)[13],重点是二氧化钛。二氧化钛研究在过去几年中由于其众多的优点包括良好的光敏,电荷转移潜力,低成本、无腐蚀性,生物稳定、无毒[14]。然而,二氧化钛的效率很低,因为宽的带隙(3.20 eV),立即重组光生电子空穴对[15-16]。为了提高二氧化钛的光催化效率,许多表面改性方法已被研究人员进行。的一个重要表面改性方法沉积[17-19]或与小说等金属掺杂[20]Ag /二氧化钛,Pt /二氧化钛,Rh /二氧化钛和Pd /二氧化钛。小说虽然二氧化钛掺杂金属有优良的光敏,也有一些缺点如高成本。

众所周知,镍比贵金属便宜,除了它是高度活跃在热催化甲烷化反应[21]。此外,其他过渡金属镍(镍)修改被广泛报道,因为它有前途的光学特性[22-24]。电子空穴复合是有效地抑制镍相比,其他金属[25]。Devi et al.[26]报道,二氧化钛矩阵内的掺杂剂可以作为一个电子陷阱,如果它的能量水平是低于导带。Ni2+有3d8的原子价电子配置。当掺杂物离子陷

阱电子/孔时,将会有相当大的旋转造成的能量损失,随着自旋状态变化从高自旋(两个未配对电子)低自旋(一个未配对电子)。根据晶体场理论,俘获电子/孔将被转移到表面吸附水分子,恢复它的能量。因此,重组过程光生电子空穴对抑制。二氧化钛的传输和发光光谱红移的插入镍[27]。然而,研究二氧化碳在二氧化钛结构包含镍光致还原作用还没有报道。

本研究的目的是将镍在二氧化钛(Ni-TiO2)热溶剂方法减少重组退出电子和孔,而不是使用昂贵的稀土金属或重金属。准备的纳米粒子具有使用XRD,TEM,电动电位,热溶剂,紫外可见光谱,PL和CO2-TPD技术。Ni-TiO2的光催化性能测试的减少二氧化碳与水。

实验

催化剂的合成

纯TiO2和Ni的TiO2不同摩尔分数利用溶剂热方法制备，如图1所示[ 28 ]。制备溶胶混合，四异丙氧基化钛（TTIP，98%，顺正化工，东京，日本）和六水硝酸镍（Ni（NO3）26H2O，97%，顺正化工，东京，日本）作为钛镍前体，分别。六水合硝酸镍（0.1，0.5和1mol%）溶于乙醇（100ml）。之后，TTIP是缓慢加入到上述溶液中，这种混合物搅拌均匀2小时最终溶液在453 K 高压釜中8小时，氮气环境下热。所获

得的沉淀物用蒸馏水洗涤，然后在343K下干燥24小时。

表征

为了确定合成二氧化钛的结构和结晶度和Ni-TiO2粉末x射线衍射(XRD、模型MPD PANalytical)使用镍化铜Ka辐射(40.0 kV,30.0 mA)。纳米颗粒的形态进行的高分辨率透射电子显微镜(HR-TEM Tecnal G2 F20 S-TWIN,范,荷兰)在200千伏。存在的元素进行了分析使用元素映射和能量色散x射线能谱(EDS)。比表面积(SBET)根据Brunauer-Emmett-Teller 理论计算,给出了多层吸附等温线方程泛化的朗缪尔单分子层的治疗。打赌表面积测量使用比表面积，孔径测定仪(BEL,日本Inc .)。孔隙大小分布计算使用吸附等温线的分支通过Barrett-Joyner-Halenda(BJH)方法。材料的电动电势由电泳淌度决定使用一种电泳测量装置(ELS)8000、大冢电子、日本)板样品室。电泳光散射(ELS)测定了在参考光束模式与670纳米的激光光源,模块化的频率250赫兹和15的散射角。电动电势的标准误差,从实验确定电泳淌度转换,一般< 1.5%,百分比误差< 5%。测量电动电势,0.1 wt %的每个样本在去离子水分散,和溶液的pH值调整与盐酸或氢氧化钠溶液。各种解决方案的相对分子直径大小分布也使用这个设备测量。ζ电位分布是平均获得的2到3倍。紫外可见吸收光谱得到使用Neosys - 2000光谱仪与反射率的球体。光致发光(PL)光谱测量调查光生电子和空穴对使用1.0毫米厚度的二氧化钛颗粒和Ni-TiO2在室温下使用氦镉激光源的波长325纳米。催化剂对二氧化碳气体的吸附能力是衡量CO2-TPD(程序升温解吸)实验使用BELCAT(BEL,日本Inc .)。每个催化剂(0.05 g)被指控在一系列的石英反应器装置。催化剂进行预处理在473 K 下的 1 h他流(30毫升min1)消除了物理吸附水和杂质。二氧化碳(5 vol. %CO2/He)气体注入反应堆30分钟的50ml min-1在323 K 物理吸附二氧化碳气体被流动的催化剂样品在323 K 30分钟。炉温度从323增加到973 K的速度10 C min-1的He流。