[发明专利]一种对称双功能光催化剂、双室光反应器及光催化还原二氧化碳的方法

说明书

技术领域

本发明属于二氧化碳综合利用技术领域，特别涉及一种对称双功能光催化剂、双室光反应器及光催化还原二氧化碳的方法。

背景技术

能源短缺以及二氧化碳（CO₂）引发的温室效应已经成为威胁社会发展和人们日常生活的主要问题，但同时，因为储量丰富的CO₂本身也是一种重要的化工原料，如何高效广泛的将其转化利用对人们提出了挑战和机遇。然而，由于CO₂本身化学性质稳定，需要额外的能源输入才能将其活化并转化为有用的化合物。太阳能是一种清洁、廉价、分布广泛的可再生能源，利用太阳能光催化技术将CO₂还原为太阳能燃料，对于缓解能源短缺、改善生态环境都有十分重要的意义。

目前光催化还原CO₂的研究主要集中于两个方面：光催化剂的构建和反应器的设计。在目前应用的光催化剂中，研究较为普遍的是粉末型催化剂。虽然粉末型催化剂制备方法简单，产品分散性好，但存在回收困难、产物不便分离、光生电荷易复合、光催化效率低等缺点。因此，对于粉体光催化剂的固定化及膜基催化剂的研究正成为热点。由于光电催化作用可以较大程度地提升CO₂还原效率，因而被广泛研究。但光电催化技术最大的不足就是需要外加电能输入，这样就增加了总体能源耗费与设备成本。同时，在外电场作用下，膜电极本身也可能会引发副反应，对于催化剂的稳定性有较大影响。鉴于以上问题，寻求一类高效稳定的膜基光催化剂是影响光催化还原CO₂技术能否工业化应用的关键。

另一个影响光还原CO₂技术的因素就是反应器的设计。高效的膜基光催化剂需要有针对其结构优化设计的光反应器的配合，这样形成的光催化体系才能最大限度发挥其还原CO₂的能力。相对于传统的单室光催化反应器，双室反应器能够有效地使氧化还原产物独立产生，减少了逆反应及副反应的发生，提高了光催化CO₂还原效率。目前，双室反应器多应用于光电催化体系，仅采用光催化过程实现CO₂还原的专利报道还较少。中国专利CN103348039A公布了一种在双室反应器中光催化还原CO₂的方法，以氮化物半导体叠层为阳极，铟或铟化物为阴极，由外接导线将两个单独的光化学电极连接。但在该发明中由于外接导线的存在，使整个装置结构复杂，而且由于导线电压降和热效应而使光转换效率降低。中国专利CN103898548A公布了一种利用石墨烯和TiO₂纳米管光电催化还原的方法，以掺Pt石墨烯负载于泡沫镍上作为电阴极，TiO₂纳米管阵列作为光阳极，并将其分别贴在Nafion质子交换膜的两侧制成催化剂电极，放置于双室反应器之间，同时在阴、阳极上外加电压进行光电催化还原CO₂的应用。同样地在该发明中由于外加电路的存在，既使整个反应的能量输入的增加，又可能在电子传递过程中会产生能量的损耗。

发明内容

本发明的目的在于提供一种对称双功能光催化剂及相应的双室光反应器，提供光催化还原二氧化碳的方法则是本发明的另一个目的。

基于上述目的，本发明采用如下技术方案：一种对称双功能光催化剂，包括由纯钛通过两步阳极氧化法制备得到双面TiO₂纳米管阵列（TNA）膜基底，基底表面电沉积有石墨烯层，石墨烯层为电子传输层，通过调控电化学参数来改变石墨烯沉积层厚度，调控电子在复合对称双功能光催化剂中的传输，改善光电子-空穴对再复合几率；然后在石墨烯层上沉积窄禁带半导体纳米颗粒作为光敏化剂。

优选地，所述窄禁带半导体纳米颗粒为氧化亚铜、氧化铜、硫化镉、氧化锌、硫化铅、氧化铅中的一种或两种及以上的混合。

优选地，所述电沉积的方法为循环伏安法、恒电流沉积法或恒电位沉积法。

优选地，在石墨烯层上沉积窄禁带半导体纳米颗粒的方法为电化学沉积、湿化学法沉积、水热法沉积、溶剂热法沉积或光化学法沉积。

采用上述对称双功能光催化剂的双室光反应器，包括对称设置的阳极反应池和阴极反应池，阴极反应池和阳极反应池之间设有两个连接口，一个连接口中间固定设有Nafion质子交换膜，另一个连接口中间固定设有由对称双功能光催化剂制成的基片，阴极反应池和阳极反应池顶部均设有进气口和出气口，阳极反应池侧壁上设有光窗口。