纳米复合材料光催化还原CO2转化为甲醇

Cu-Mn-TiO2纳米复合材料光催化还原CO2转化为甲醇（翻译文）Manganese一and copper-doped titania nanocomposites for the photocatalytic reduction of carbon dioxide into methanol

P.L. Richardson , Marisa L.N. Perdigoto, W. Wang, Rodrigo J.G. Lopes

摘要：在这篇文章中,全面调查了商业和实验室光催化还原二氧化碳的基于催化剂表面的电子受体而掺杂锰、铜、锰、铜参杂的二氧化钛已经被准备通过溶胶-凝胶法获得不同的为二氧化碳转化成甲醇的纳米复合材料。首先,XRD表征证明锰和铜细分散在氧化钛表面支持保护其晶体结构。第二,透射电镜二氧化钛颗粒形态特征指出代表尺寸15 - 25 nm的能避免表面电子空穴对的复合,与此同时增强感光。比较面积和BJH技术提供的结构分析显示当增加了锰加载在二氧化钛基质上当增加了锰加载在二氧化钛基质上能减少吸收新鲜的和已利用的二氧化钛试样,和所有的溶胶-凝胶法中二氧化钛催化剂表现出介孔结构有利于锰、铜参杂配方。后来,XPS谱提出了等效绑定能量特征的纯锰、铜和钛(2 p3/2,2 p1/2)通过强调化学成分和实验室研制光催化剂的晶体结构。最后,参杂锰、铜的二氧化钛催化剂光催化还原

CO2通过评估甲醇生产的几个方案。光催化还原CO2通过评估甲醇生产的几个方案。Mn0.22-Cu0.78 参杂在二氧化钛试样中被发现收益率最高238.6μ最高能量(26.5%)和量子效应(18.4%)从而作为一个潜在的候选二mol-MeOH/g

cat

氧化碳的光催化转换。

1.引言

二氧化碳被认为是主要的温室气体。为了缓解因CO2产生全球变暖不良大气现象要实际研发组织正常二氧化碳捕获和没收。只要二氧化碳捕获是能量要求和包含一个由通过碳税收被强迫的额外费用, 众多技术一直在研究实验室和试点规模。这些过程包括物理吸附/化学吸收作用[1、2],碳酸化作用[3],胺的物理吸收[4],胺干擦[5],矿物碳化[6、7],膜分离[8]和分子筛[9]。

有固有的缺点,最先进的环保方法已经收到紧急利益有效地捕捉和浓缩高生产量的二氧化碳随后转换成燃料。假如二氧化碳是一个稳定、惰性化合物,减少二氧化碳很难使用传统陶瓷催化剂。用光催化剂减少CO2 被认为是最杰出的方

法，是由于二氧化碳在室温和大气压下可以通过紫外线辐射减少。为了应对的主要环境问题与全球变暖和可持续能源的短缺来源[10],光催化CO2和水的还原作

转化合成燃料如甲烷、甲醇、甲酸和甲用在文献中已经报道，使用热力学把CO

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醛[11、12]。依据多相催化环境污染治理领域提供的新的见解，这个过程中包括通过多相催化环境污染治理领域催化消除/转换主要大气污染物。

,ZnO,SiC和GaP ,已经被用来研一些半导体催化剂如二氧化钛、CdS、WO

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究光致辐照时的水悬浮液冒泡二氧化碳。在光催化还原二氧化碳的金属氧化物中有较大的带隙被认为相当的耐光腐蚀。事实上,在多相光催化二氧化钛一直常用的气体和液相反应主要是由于其卓越的理化性质。各种研究在紫外线照射下如何提高二氧化钛的光催化活性与二氧化碳的光致还原作用通过使用过渡金属掺杂或改性二氧化钛已报告[11,13-18]。在这方面,铜和铁氧化钛金属结合,支持对二氧化碳的性能在长紫外波和短紫外波辐照下光致还原作用进行评估。多壁碳二氧化钛纳米管复合催化剂由溶胶-凝胶法和水热方法研究了二氧化碳光致还原作用[19]。此外,分子筛改性二氧化钛支持在气固和液固体系评估，包括Ti-MCM-41[20],Ti-MCM-48[21],Ti-SBA-15[22],Ti-HMS[23],Ti-PS[24],Ti-oxide/

Y-zeolite催化剂[25]。通常情况下,在水蒸气或溶剂中二氧化碳光催化成甲醇,如方程（1）所述：

据我们所知,大部分的这些研究集中在二氧化碳光致还原作用，由于催化剂在可见光下弱活跃。由于锰和铜金属钛氧化物支持光催化还原二氧化碳很少被报道的,然后考虑到特定的铜和锰金属的带隙,相应的光催化剂是设想作为基准光致还原作用的二氧化碳与水。以获得光催化活性高,掺杂的光催化剂表面一个电

纳米复合材料使二氧化碳转化为甲醇进行评估。这项工作的子受体,Mn-Cu /TiO

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目的是双重的:彻底描述锰和铜依附在钛氧化物催化剂可通过透射电子显微镜(TEM)、x射线衍射(XRD)、x射线光电子能谱(XPS)、紫外可见扩散反射光谱和BET/ BJH方法以及系统的评估纳米粒子的光催化还原二氧化碳负载和碱反应介质条件的效果。

2. 实验

2.1 材料和制备催化剂

氧化钛粉(P25)是从Degussa中获得的。二氧化钛(P-25)是一种由锐钛

矿和金红石80:20的混合物的无孔隙的粉，比表面积约为50m2g−1和平均约30 nm 的主要粒度。他前体是钛(IV)丁醇金属(Ti(OC4H9)4、正丁醇98%)，从Sigma-Aldrich提供的。在大气相对湿度以20%的水解被氮气清洗。水解的水一贯通过丁醇和乙酸的酯化为了规避在缩聚阶段沉淀和生成不稳定的胶体溶液而释放的。这种方法进行钛的水解醚与水允许一个控制化学计量比。0.01mol钛醚混合0.04mol无水丁醇(> 99.7%)和0.04摩尔冰醋酸(> 99.7%)在不断搅拌中反应,直到pH值成为常数(≈3.64)。随后,溶胶在135℃干燥，520℃煅烧，完全去除有机化合物的存在。

以下实验室通过溶胶-凝胶制备催化剂路线:Mn/TiO2、Cu/TiO2,Mn0.22–Cu0.78/TiO2,Mn0.51–Cu0.49/TiO2, Mn0.76–Cu0.24/TiO2。Mn(NO3)2²4H2O和Cu(NO3)2²3H2O(Aldrich)用作对二氧化钛掺杂物的金属的前体。锰、铜参杂二氧化钛(Mn/TiO2,Cu/TiO2)和TiO2(P25)浸渍在溶胶-凝胶过程中。煅烧(520℃)后,锰、铜参杂二氧化钛在连续通6% H2 / Ar流混合物在330℃反应5小时。

2.2光反应器和实验过程

二氧化碳的催化还原是在批处理操作模式进行的。光催化剂粉(0.5 g)分散在二氧化碳溶液(100毫升)小型派热克斯玻璃做的下窗类型辐照。二氧化碳是初步吸附不同的氢氧化钠水溶液和碳酸氢钾提高二氧化碳溶解度。反应堆是用纯二氧化碳(> 99.99%),消除从中间物的可溶性氧气和进一步饱和 0.1M NaOH 和 0.25 M KHCO3。三种不同的紫外灯使用下面的光谱范围。附近两个汞柱灯紫外线(350 - 450 nm)200 瓦和中期紫外线(280 - 350 nm)350瓦,和深紫外氙灯(240 - 260 nm)用HgXe 灯500 瓦光催化二氧化碳的转换。鉴于曝光灯的波长范围,加上水泵冷却系统是为了保持在室温下反应。除非另有规定,光致还原作用实验进行了使用氙灯远紫外线(240 - 260 nm)和500 W HgXe。两灯的通用波长光谱与入射光功率计算反应器: 200W–45mW/cm2(410nm)和30mW/cm2(370nm);350 W-90mW/cm2(410nm)

和 45mW/cm2(370nm);500W-20mW/cm2(260nm)。500W HgXe的深紫外氙灯(240 - 260 nm) 通常用于24小时反应时间，之后,最终反应产物离心分离。气相色谱法(TCD/FID)表明,甲醇是光催化二氧化碳还原形成碳氢化合物主要产物,空白实验进行验证CO2转换碳氢化合物的形成。在相同的实验条件,在紫外光照射在缺乏催化剂下和另外一组在黑暗中光催化剂和二氧化碳进行空白实验，确保碳氢化合物在上述的实验中没有产生。