一种光热催化剂的制备方法及应用

本发明涉及光热催化材料领域，尤其涉及一种光热催化剂的制备方法及应用。

背景技术：

1、芳香醛作为精细化工中间体的一种重要原料，常常应用于合成药物、染料和香料等产品。当前，芳香醛的制备主要是采用强氧化剂将芳香醇进行选择性氧化，该过程存在环境污染和较大耗能等问题。因此，亟需开发一种绿色环保的新方法来代替传统工业生产方式。

2、光热催化技术作为绿色化学的一个分支，该技术以太阳能为驱动力，以空气中的氧气为氧化剂，利用光热催化剂就可以使芳香醇选择性氧化制备芳香醛，且制备条件温和，有利于降低能源消耗和碳排放，具有替代传统的芳香醇生产芳香醛工艺的优势。然而现有光热催化剂仍存在催化活性较差、可见光利用率较低且容易失活的问题。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明实施例第一方面提供了一种光热催化剂的制备方法，通过将导电碳基底进行表面等离子体处理，然后利用电化学方法在导电碳基底表面原位聚合具有配位作用的聚合物层，再放置于可溶性钌盐中吸附ru3+，最后在惰性氛围中进行热解制备得到用导电碳基底担载的钌催化剂，该催化剂用于光热催化芳香醇时具有催化活性好、可见光利用率高以及使用寿命长的优点。

2、第一方面，本发明实施例提供了一种光热催化剂的制备方法，包括以下步骤：

3、s1、将导电碳基底进行表面等离子体处理，得到表面等离子体处理后的导电碳基底；

4、s2、将所述表面等离子体处理后的导电碳基底作为工作电极，在含电解质和聚合物单体的电解液中进行电化学原位聚合反应，在导电碳基底表面形成聚合物层，经洗涤干燥后得到具有聚合物层的导电碳基底；

5、s3、将所述具有聚合物层的导电碳基底加入到可溶性钌盐溶液中吸附ru3+，得到附着ru3+的具有聚合物层的导电碳基底；

6、s4、在惰性氛围中，将所述附着ru3+的具有聚合物层的碳纤维进行热解反应，制得所述光热催化剂。

7、本发明实施方式中，所述导电碳基底的电阻率小于或等于200mω·cm-1。

8、本发明实施方式中，所述导电碳基底包括碳纳米管、碳纤维、碳纳米管编织结构和碳纤维编织结构中的至少一种。

9、本发明实施方式中，所述步骤s1中，表面等离子体处理的功率为100w-300w，频率为20khz-45khz，处理时间为30s-240s，采用的等离子体包括氩气等离子体或氮气等离子体。

10、本发明实施方式中，所述步骤s2中，电化学原位聚合反应采用基于三电极电化学体系的恒电势法、恒电流法或循环伏安法；所述恒电势法的电势为0.9v-1.2v，反应时间为5min-120min；所述恒电流法的阳极电流为5ma-30ma，反应时间为5min-120min；所述循环伏安法的扫描电势范围为0.6v-1.2v，循环圈数为50圈-200圈，扫描速度为10mv/s-100mv/s；所述干燥包括真空干燥的方法，干燥的温度为60℃-80℃，干燥的时间为12h-24h。

11、本发明实施方式中，所述聚合物单体包括苯胺、吡咯、噻吩和乙烯二氧噻吩中的任意一种，所述聚合物单体在电解液中的浓度为0.1mol·l-1-1.0mol·l-1；所述电解质包括对甲苯磺酸或对甲苯磺酸钠，所述电解质在电解液中的浓度为0.1mol·l-1-0.5mol·l-1；所述电解液的溶剂包括水，所述电解液的ph值为0-1.0。

12、本发明实施方式中，所述步骤s3中，可溶性钌盐溶液的浓度为0.01mol·l-1-0.5mol·l-1。

13、本发明实施方式中，所述步骤s4中，热解反应的升温速率为1℃/min-5℃/min，反应温度为200℃-900℃，反应时间为1h-4h。

14、本发明实施例上述的光热催化剂的制备方法，通过等离子体处理导电碳基底，一方面，提高了表面粗糙度，有利于光的吸收，从而提升所制得的光热催化剂的可见光利用率；另一方面，使聚合物单体更均匀地生长在导电碳基底上，进而有利于钌与导电碳基底紧密结合。具体地，通过电化学原位聚合反应在导电碳基底上形成能够与钌离子配位的聚合物层，使得钌离子以配位结合的方式吸附到碳纤维材料上，相比于普通吸附的结合方式，使用本发明实施例上述的方法能使钌粒子与碳材料间的结合更均匀、更牢固，制得的光热催化剂具有催化活性高、稳定性好的优点。

15、第二方面，本发明实施例还提供了一种由本发明实施例第一方面所述的光热催化剂的制备方法制备得到的光热催化剂，所述光热催化剂包括导电碳基底和负载在所述导电碳基底上的金属钌粒子。

16、第三方面，本发明实施例还提供了本发明实施例第二方面所述的光热催化剂在催化芳香醇制备芳香醛中的应用。

17、通过实施本发明实施例，能提升导电碳基底的粗糙度、钌粒子与导电碳基底间结合的稳定性与均匀性，有效地增强了所制得的光热催化剂的催化活性、光吸收率和使用寿命，解决了现有技术中碳材料担载的钌催化剂催化活性差、可见光利用率低和容易失活的问题。

技术特征：

1.一种光热催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的光热催化剂的制备方法，其特征在于，所述导电碳基底的电阻率小于或等于200mω·cm-1。

3.如权利要求1或2所述的光热催化剂的制备方法，其特征在于，所述导电碳基底包括碳纳米管、碳纤维、碳纳米管编织结构和碳纤维编织结构中的至少一种。

4.如权利要求1所述的光热催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤s1中，表面等离子体处理的功率为100w-300w，频率为20khz-45khz，处理时间为30s-240s，采用的等离子体包括氩气等离子体或氮气等离子体。

5.如权利要求1所述的光热催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤s2中，电化学原位聚合反应采用基于三电极电化学体系的恒电势法、恒电流法或循环伏安法；所述恒电势法的电势为0.9v-1.2v，反应时间为5min-120min；所述恒电流法的阳极电流为5ma-30ma，反应时间为5min-120min；所述循环伏安法的扫描电势范围为0.6v-1.2v，循环圈数为50圈-200圈，扫描速度为10mv/s-100mv/s；所述干燥包括真空干燥的方法，干燥的温度为60℃-80℃，干燥的时间为12h-24h。

6.如权利要求1所述的光热催化剂的制备方法，其特征在于，所述聚合物单体包括苯胺、吡咯、噻吩和乙烯二氧噻吩中的任意一种，所述聚合物单体在电解液中的浓度为0.1mol·l-1-1.0mol·l-1；所述电解质包括对甲苯磺酸或对甲苯磺酸钠，所述电解质在电解液中的浓度为0.1mol·l-1-0.5mol·l-1；所述电解液的溶剂包括水，所述电解液的ph值为0-1.0。

7.如权利要求1所述的光热催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤s3中，可溶性钌盐溶液的浓度为0.01mol·l-1-0.5mol·l-1。

8.如权利要求1所述的光热催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤s4中，热解反应的升温速率为1℃/min-5℃/min，反应温度为200℃-900℃，反应时间为1h-4h。

9.一种由权利要求1-8任一项所述的光热催化剂的制备方法制备得到的光热催化剂，其特征在于，所述光热催化剂包括导电碳基底和负载在所述导电碳基底上的金属钌粒子。

10.如权利要求9所述的光热催化剂在催化芳香醇制备芳香醛中的应用。

技术总结
本发明实施例公开了一种光热催化剂的制备方法及应用，该方法通过将导电碳基底进行表面等离子体处理，然后利用电化学方法在导电碳基底表面原位聚合具有配位作用的聚合物层，再放置于可溶性钌盐中吸附Ru<supgt;3+</supgt;，最后在惰性氛围中进行热解制备得到所述光热催化剂。该光热催化剂的制备方法工艺精简，制备得到的催化剂具有催化活性好、可见光利用率高以及使用寿命长的优点。本发明实施例还提供了一种由该方法制备得到的光热催化剂及其在催化芳香醇制备芳香醛中的应用。

技术研发人员：朱才镇,纪穆为,黄谷城,刘会超,徐坚
受保护的技术使用者：深圳大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/11