温和条件下光热分解二氧化碳为一氧化碳和氧气的方法

本发明属于催化剂制备，具体涉及一种在温和条件下光热自分解co2为co和o2的方法。

背景技术：

1、近年来，化石燃料的大量燃烧引起co2浓度的逐年升高，给环境和气候带来严重考验。为了有效降低空气中的co2浓度，研究人员提出了碳捕集并封存（ccs）和碳捕获并利用（ccu）两种主要手段。利用化学手段将co2转化为高价值燃料是有前景的应用方式之一，目前主要依赖热催化的手段通过加氢反应生成碳氢、碳氢氧化合物等，但是这种方式依旧需要化石燃料的燃烧提供能量。

2、利用太阳能实现co2直接分解产生co是一种经济有效的手段。co2的自分解反应方程式为co2(g)→co(g)+1/2o2(g)；∆rh(298 k)=+283 kj/mol，这个过程以金属氧化物作为催化剂，主要发生两个过程：（1）金属氧化物受热脱氧形成氧空位和氧气(mon→mon-δ+δ/2o2，＞1000 ℃)；（2）co2与氧空位反应形成co，并填补氧空位(mon-δ+δco2→mon+co，＞300 ℃)。但是co2分解需要大量能量输入才能使c=o双键断裂，产生co气体和o2，通常需要大于1000℃才能使反应顺利进行。通过特定装置聚集太阳光能，可将温度仅在太阳光照射下提升至1500 ℃左右，在这种条件下ceo2基材料表现出良好的co2转化率，并有望大规模推广。然而，极高的温度对设备成本和催化剂稳定性都有极高要求。因此，实现温和条件下co2分解是很有意义的事，其一方面可以降低能耗，节约设备成本，另一方面可以发展更多催化剂。面对以上挑战，本发明在光热条件下充分利用光生电子辅助氧空位循环的手段实现了温和条件下co2持续分解为co和o2。

技术实现思路

1、针对目前co2热分解为co和o2反应所需要的温度极高的问题，本发明提供了一种光热分解co2的方法，其通过在催化体系中引入光照，实现了温和条件下的co2分解。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种在温和条件下光热分解co2为co和o2的方法，其是采用具有光响应性的半导体金属氧化物作为催化剂，直接利用加热和光照裂解co2生成co和o2。

4、进一步地，所述半导体金属氧化物包括nb2o5、tio2、ceo2、in2o3、zno中的任意一种。

5、进一步地，所述加热的温度为50℃-350℃。

6、进一步地，所述光照采用300w的光源，且其发出的光线中包含有紫外光（λ＜400nm）。

7、优选地，采用具有光响应性和低结晶度的nb2o5作为催化剂。基于nb2o5在光照条件下可产生光生空穴与催化剂晶格氧作用，可极大的降低氧空位的产生温度。光生电子与氧空位捕获的co2作用，降低了c=o键断裂所需要的温度，因而可实现在温和条件下co2的自分解，并且反应活性随着温度或光照强度的增加均有提升，而随着金属氧化物结晶度的提升活性会逐渐下降。

8、更进一步地，所述nb2o5的制备是以草酸铌氨（nh4(nbo(c2o4)2·(5h2o)2）为前驱体，将其溶解在去离子水中，然后加入双氧水进行水热反应后，经离心，烘干，研磨后400 ℃煅烧4h制得。

9、其中，草酸铌氨的水溶液浓度为0.01~0.1g ml-1。

10、所用双氧水的体积浓度为30%，其加入量按每克草酸铌氨使用1~10 ml进行换算。

11、所述水热反应的温度为100℃，时间为5h。

12、所述煅烧的升温速率为1~10℃/min。

13、现有的co2分解技术主要依赖于金属氧化物在极高温度下产生氧空位进一步与co2反应产生co，实现co2的完全分解。整个过程分为两步，第一步是金属氧化物在加热条件下脱氧产生氧气形成氧空位，第二步是氧空位与co2反应填补氧空位并断裂c=o键形成co。之前有报道在第一步引入光照，在光热协同的作用下促使金属氧化物产生氧空位，但是第二步依然需要很高的温度，使得整体反应温度还是比较高，而且反应分为独立的两步导致反应体系较为复杂。本发明通过采用具有光响应性的半导体金属氧化物作为催化剂，在引入光照的同时实现了将两步反应合为一步，且其可实现光热（350℃以内，光照）条件下氧空位的循环，引起co2的持续不断分解。

14、本发明的显著优点在于：

15、（1）本发明通过采用具有光响应性的半导体金属氧化物作为催化剂，并在热分解co2中引入光照，在50~350℃即可实现co2的光热分解。

16、（2）低结晶度金属氧化物的晶格氧相对较容易脱除，可以在较低温度的光热条件下实现循环再生，保证反应的持续性。

技术特征：

1.一种在温和条件下光热分解co2的方法，其特征在于，采用具有光响应性的半导体金属氧化物作为催化剂，直接利用加热和光照裂解co2生成co和o2。

2.根据权利要求1所述的在温和条件下光热分解co2的方法，其特征在于，所述半导体金属氧化物包括nb2o5、tio2、ceo2、in2o3、zno中的任意一种。

3.根据权利要求1所述的在温和条件下光热分解co2的方法，其特征在于，所述加热的温度为50℃-350℃。

4.根据权利要求1所述的在温和条件下光热分解co2的方法，其特征在于，所述光照采用300w的光源，且其发出的光线中包含有紫外光。

技术总结
本发明公开了一种在温和条件下光热分解CO<subgt;2</subgt;的方法，属于催化剂制备技术领域。本发明是采用具有光响应性的半导体金属氧化物作为催化剂，直接利用加热和光照裂解CO<subgt;2</subgt;生成CO和O<subgt;2</subgt;，其反应条件温和，在光照下从50℃升温至350℃均有活性且随着温度升高活性增长，并具有高稳定性，可持续不断的CO<subgt;2</subgt;分解，具有较好的应用前景。

技术研发人员：戴文新,岳宣宇,付贤智,陈旬,张子重
受保护的技术使用者：福州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/6