[发明专利]一种光热催化复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明属于光热催化材料技术领域，公开了一种光热催化复合材料，所述光热催化复合材料由氮掺杂石墨烯包覆CuS/N‑TiO₂纳米颗粒形成，解决了现有技术中光热催化材料效率低的问题，实现了光热催化复合材料的高效吸附活化性能，尤其在二氧化碳催化还原过程中催化效果显著。

技术领域

本发明属于光热催化材料技术领域，尤其涉及一种光热催化复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

将二氧化碳转化为低成本可再生能源(如太阳能或风能)驱动的高附加值化学原料或液体燃料，可以缓解能源危机并促进碳循环。利用光热效应来替代外部热源，或者利用Vis-NIR激发窄带隙金属氧化物，来驱动CO₂催化反应是一个合理而且具有发展前景的方法。

金属硫化物尤其是二维过渡金属硫化物具备优异的光学、电学、机械和化学性能，且大多数过渡金属硫化物具有比较窄的禁带，具有吸收近红外光辐射的能力；CuS这种金属硫化物吸收大量的太阳光，特别是红外光，把太阳能转换为热能，从而加速CO₂向碳氢燃料的转变；TiO₂光催化是一种近几年兴起的CO₂处理技术，不仅没有传质限制、可以在常温下进行操作，而且还可以利用太阳辐射。该催化剂不仅价格低廉，同时，它的晶体结构和粒子性质也很丰富，无毒无害、具有高催化性能和良好的光化学稳定性并且不会产生二次污染。

现有技术中公开有成功制备的CuS/TiO₂这种CuS基光热复合材料，且应用于太阳能诱导的光热催化CO₂转化，在全光谱照射下，CO的生成速率能够达到25.97μmol g^-1h^-1。

发明内容

为了进一步提高CuS基光热复合材料的光热催化效率，本申请实施例提供了一种光热催化复合材料及其制备方法和应用，所述光热催化复合材料由氮掺杂石墨烯N-rGO包覆CuS/N-TiO₂纳米颗粒形成，解决了现有技术中光热催化材料效率低的问题，实现了光热催化复合材料的高效吸附活化性能，尤其在二氧化碳催化还原过程中催化效果显著。

本发明实施例提供一种光热催化复合材料，所述复合材料以氮掺杂的石墨烯为载体，包覆硫化铜和氮掺杂二氧化钛形成的CuS/N-TiO₂纳米颗粒作为活性成分。

本申请实施例还提供了上述光热催化复合材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：在乙醇中加入氧化石墨烯获得混合均匀的氧化石墨烯溶液，分别加入氮源、铜源和硫源，所述氮源、铜源和硫源的摩尔质量比为(50～300)：(1～10)：(1～10)，配置成混合溶液I，将混合溶液I转移到高压反应釜中，160℃反应12h获得反应后的混合溶液Ⅱ；将混合溶液Ⅱ从高压反应釜中取出，自然降温至室温后，利用高速离心法从混合溶液Ⅱ中分离出沉淀物I，再用提前制备好的乙醇和去离子水溶液反复清洗沉淀物I，反复清洗过的沉淀物记为沉淀物Ⅱ，将沉淀物Ⅱ烘干；将钛酸四正丁酯C₁₆H₃₆O₄Ti和氨水溶液混合，同时加入上述沉淀物Ⅱ，均匀搅拌2h后放入高压反应釜，置在温度为160℃～200℃的条件下，反应12～24h；反应结束后，反应釜冷却至室温，取出混合物离心分离，反复轮流清洗至离心后的上清液为中性，将最终获得的中性上清液样品烘干，得到最终产物氮掺杂石墨烯负载CuS/N-TiO₂。

所述高压反应釜为马弗炉或PTFE高压反应釜均可。

优选的，所述氮源、铜源和硫源分别为尿素、二水合氯化铜和硫脲；

优先的，所述钛酸四正丁酯C₁₆H₃₆O₄Ti和氨水溶液混合，其中钛酸四正丁酯C₁₆H₃₆O₄Ti和氨水体积比为1:8；