[发明专利]一种原位碳包覆的铜镍合金纳米颗粒光催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明公开一种原位碳包覆的铜镍合金材料光催化剂及制备方法和应用，首先通过水热法制备铜镍双金属有机框架(CuNiBTC)，通过离心、洗涤、干燥得到CuNiBTC材料；然后将样品用石英管真空密封后，经过高温煅烧后得到原位碳包覆的铜镍合金纳米颗粒光催化剂，其具有宽的光吸收范围，高还原二氧化碳性能，低电阻率，快速转移载流子的能力，高光生载流子分离能力，低载流子重组率，以及良好的二氧化碳转化循环稳定性等特点，其用于近红外光催化还原二氧化碳，一氧化碳析出速率最高可达11.205μmol·g^‑1·h^‑1。其制备方法具有操作简单，成本低廉，所用原材料无毒，产物具有一定的经济价值，符合环保理念的生产。

技术领域

本发明涉及一种光催化材料，具体来说涉及一种原位碳包覆的铜镍合金纳米颗粒光催化剂及其制备方法和应用，属于材料学领域。

背景技术

由于工业发展以及化石燃料的使用，作为温室气体二氧化碳在大气中的浓度越来越多，导致了一系列环境问题，例如温室效应，海平面上升以及冰川融化。但是二氧化碳也是一种无毒且对环保的资源，将二氧化碳转化为一氧化碳、甲烷等燃料是在环境以及能源再生方面具有重大意义。因此，迫切需要开发能够将二氧化碳转化为一氧化碳和各种有用的低碳燃料来实现“闭环”碳封存方案。目前，与高能量需求的二氧化碳捕集和地质封存相比，二氧化碳的转化或再利用似乎更具吸引力，长期可行和有希望的途径同时解决能源和环境问题。到目前为止，已经探索了许多将CO₂转化为燃料的方法，包括催化，光催化，电催化和光电催化过程。在目前众多转化二氧化碳技术中，使用太阳能与非均相光催化剂，通过光转化将H₂O和CO₂转化为经济价值更高的产物，模仿自然光合作用，并通过更加环保的方式完美地实现太阳能燃料和高价值化学品(如CO，甲酸，甲烷和甲醇)的生产，相比自然光合作用，人工光合作用更为简单，因此具有较高的发展潜力。人工光合作用具有许多巨大的热力学和动力学挑战，被认为是解决这个问题的最佳策略之一。

目前，二氧化钛、g-C₃N₄以及WO₃等一系列半导体已经广泛应用于光催化领域，包括一氧化碳析出、全解水、二氧化碳还原。但是对于非半导体的在光催化领域的研究还是比较稀少。为了探索非半导体在光催化领域的应用，已经有了较好的进展。研究发现金属的集体电子共振的光学激发，等离子体共振(SPR)效应可以通过金属纳米颗粒与特定光子能量的光的强耦合来引发，来实现金属在光催化方面的应用。金属单质铜因为其表面的SPR效应而存在光催化性能。或者，通过使Cu与其他金属合金化以形成双金属，实现改变Cu位点的固有活性的目的，双金属可以通过配体和应变效应调节表面d态，从而改善光催化活性。

镍作为一种较为丰富且化学性能较为稳定的金属，具有很宽的光吸收特性。它可以吸收紫外光、可见光，甚至是近红外光。同时，Ni已被研究用于双金属的参与的催化领域，并且已经使用许多方法来改善它们的催化性质，例如核壳机构和几何结构以及晶体取向的控制。双金属通常具有比其单金属对应物更高的催化性能，因为它们具有独特的微观结构和由配体和应变效应诱导的电子效应。CuNi双金属是有意义且在催化中很重要的，已被广泛用于几种反应，如非酶法检测葡萄糖，甲醇合成和水煤气变换，光催化产氢然而，CuNi双金属的光催化还原CO₂尚未见报道到现在。与传统的贵金属如Pt，Au和Ag相比，Cu和Ni价格便宜且可以大量获得。据报道，Ni的功能函数为5.15eV，大于Cu(4.65eV)，令铜和镍在光催化中能够有较好的表现。

由于金属表面上电子对的快速复合，单独的CuNi双金属光催化剂表现出相对低的光催化活性。为了使催化剂的光催化能力最大化，通常需要适当的改性以获得更高的光催化活性。石墨烯结合是一种很有前景的策略，因为它具有优异的性能，例如，优异的热/化学稳定性，高导电性，电荷载体的快速室温迁移率和大的理论比表面积。石墨烯能够当作电子用于穿梭电子的介体，能够促进双金属光催化剂的电荷转移，从而提高石墨烯基材料的光催化活性。

发明内容