一种CNs@PY53光催化剂的制备方法及其在光催化同步生产乳酸和CO中的应用

本发明涉及一种cns@py53光催化剂的制备方法及其在光催化生物质基单糖选择性氧化断裂c-c键同步生产乳酸和co中的应用，属于催化。

背景技术：

1、随着石油等不可再生资源的日益枯竭，以可再生的生物质为原料生产化工产品已经成为实现化工产业可持续发展的趋势。co作为合成气的重要组分，可用于合成一系列高附加值化学品，如甲醇、乙烯、丙烯、长链烷烃、醛等。传统的co生产方法主要包括焦炭-纯氧法、水煤气变压吸附法和焦炭纯氧二氧化碳制气法等，但这些方法均需要在高温条件下进行，并且普遍存在操作复杂、能耗高、污染重等问题，因此其实际应用具有很大的局限性。然而，通过光催化生物质基原料选择性氧化制备co作为一种新兴技术，具有反应条件温和易控、成本低、环境友好等优点，并且该方法已经被证实是可行的。乳酸作为世界三大有机酸之一，亦是生物质基原料选择性氧化的重要产物之一。乳酸具有独特的酸性、亲水性和良好的生物相容性，已被广泛应用于食品、医药、化工等行业。作为发展生物经济和生物质转化的关键资源，乳酸的市场需求日益增长。因此，如何在实现液/气产物分离的情况下，通过光催化技术选择性氧化生物质基原料同步生产乳酸和co是本领域的关键性技术难题之一。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有光催化生产乳酸，提供一种cns@py53光催化剂材料的制备方法及其在光催化生物质基单糖选择性氧化断裂c-c键同步生产乳酸和co中的应用。本发明针对现有催化体系能耗高、产率低等问题，通过一种新型、简便的方法制备得到cns@py53光催化剂，通过光催化技术将多种生物质基单糖选择性氧化为乳酸和co。本发明所制备的cns@py53光催化剂具有良好的催化活性、循环使用性、化学稳定性和应用普适性。本发明的合成方法简单易控、成本低、“绿色”无污染，具有工业化应用的潜力。

2、为了达到上述目的，本发明采用了如下技术方案：

3、一种用于光催化生物质基单糖选择氧化同步生产乳酸和co的cns@py53光催化剂的制备方法，包括如下步骤：

4、(1)将尿素在管式炉中，n2气氛中400～600℃退火(高温煅烧)2～6h，自然冷却后得到氮化碳(cn)；

5、(2)将cn分散到浓盐酸中，在80～90℃的水浴中加热搅拌20～30h进行剥离，得到悬浮液，过滤、洗涤，得到固体产物；

6、(3)将步骤(2)中得到的固体产物分散到去离子水中，超声处理20～30h；

7、(4)将步骤(3)中得到的分散液通过0.22～0.45μm的水系滤膜(如聚四氟乙烯滤膜、尼龙滤膜、混合纤维素滤膜和聚醚砜滤膜)过滤后，在-40～-60℃下冷冻干燥36～48h，得到氮化碳量子点(cns)；

8、(5)将步骤(4)中得到的cns与钛镍黄(py53)分散到无水乙醇中，混合超声处理0.5～3.0h，其中cns与py53的质量比为0.005～1.0：0.5～3.0；

9、(6)将步骤(5)中得到的分散液在75～95℃下蒸发干燥2～4h，得到cns@py53光催化剂。

10、根据上述的技术方案，优选的情况下，步骤(1)中，在使用前，先将尿素置于坩埚中，加热至70～90℃并干燥(保持)1～2h。

11、根据上述的技术方案，优选的情况下，所述加热温度为80℃，所述保持时间为1h。

12、根据上述的技术方案，优选的情况下，步骤(1)中，所述退火温度为560℃，所述退火时间为4h。

13、根据上述的技术方案，优选的情况下，步骤(2)中，cn与浓盐酸的比例为2.0～10.0g：20～100ml，优选为4.0g：80ml。

14、根据上述的技术方案，优选的情况下，步骤(2)中，水浴的加热温度为90℃，加热时间为24h。

15、根据上述的技术方案，优选的情况下，步骤(2)中，将悬浮液使用去离子水稀释后过滤，并将所得固体用去离子水洗涤至中性。

16、根据上述的技术方案，优选的情况下，步骤(3)中，固体产物与去离子水的比例为2.0～10.0g：50～500ml，优选为2.0～4.0g：200ml。

17、根据上述的技术方案，优选的情况下，步骤(4)中，所述滤膜材料为0.22μm的聚四氟乙烯滤膜，冷冻干燥时间为48h。

18、根据上述的技术方案，优选的情况下，步骤(5)中，所述超声处理时间为3h。

19、根据上述的技术方案，优选的情况下，步骤(5)中，cns与py53的质量比为0.005～0.3：0.5～1.0g，优选为0.1g：1.0g。

20、根据上述的技术方案，优选的情况下，步骤(5)中，cns与无水乙醇的比例为0.005～1.0g：2～80ml，优选为0.005～0.3g：20-80ml，优选为0.1g：40ml。

21、根据上述的技术方案，优选的情况下，步骤(6)中，所述蒸发干燥温度为90℃，蒸发干燥时间为3h。

22、本发明的cns@py53材料经x-射线衍射等手段进行表征，并将其作为一种良好的光催化剂应用于光催化生物质基单选择性氧化同步生产乳酸和co。

23、上述方法制备的cns@py53光催化剂在光催化生物质基单糖选择性氧化同步生产乳酸和co中的应用，其反应过程为：将上述的cns@py53光催化剂、生物质基单糖和碱性溶液混合均匀，在20～80℃下光催化反应0.5～8.0h，反应结束后采用高效液相色谱仪和气相色谱仪检测乳酸和co的含量。

24、根据上述的技术方案，优选的情况下，所述碱性溶液为水溶性碱性溶液，如氢氧化钾溶液、氢氧化钠溶液、氢氧化钡溶液、碳酸钠溶液、碳酸钾溶液、碳酸氢钠溶液等，优选为氢氧化钾溶液。

25、根据上述的技术方案，优选的情况下，所述碱性溶液的浓度为0.05～3.0mol/l，优选为0.5mol/l。

26、根据上述的技术方案，优选的情况下，所述生物质基单糖为木糖、阿拉伯糖、果糖、鼠李糖、甘露糖或葡萄糖。

27、根据上述的技术方案，优选的情况下，所述催化剂、生物质基单糖、碱性溶液的比例为0.05～30mg：0.01～1.0g：20～100ml，优选为25mg：0.2g：20ml。

28、根据上述的技术方案，优选的情况下，所述反应温度为50℃。

29、根据上述的技术方案，优选的情况下，所述反应时间为5.0h。

30、本发明cns@py53光催化剂的制备与光催化生物质基单糖选择性氧化同步生产乳酸和co的应用，分别从催化剂用量、koh浓度、反应温度及反应时间等方面对实验条件进行优化；并在最佳反应条件下探究cns@py53光催化剂的循环使用性。

31、与现有技术相比，本发明的具有如下优点：

32、(1)本发明通过光催化技术选择性氧化生物质基原料同步生产乳酸和co。

33、(2)本发明合成的乳酸是一种具有高附加值的化学品，是一种重要的化工中间体；

34、(3)本发明得到的co是一种高价值的能源燃料，是合成气的重要组分之一；

35、(4)本发明制备的cns@py53作为光催化剂，具有良好的催化活性、循环使用性和应用普适性等优异性能；

36、(5)本发明所采用的光催化生物质基单糖选择性氧化同步生产乳酸和co的生产方法具有安全、无毒、见效快、能耗低等优点，具有工业化生产的潜力；

37、(6)本发明可将不同的生物质基单糖高效选择性氧化为乳酸和co，易于实现工业化生产，具有良好的应用前景；

38、(7)本发明的产品为解决能源危机问题提供了一条有效途径。