一种基于诱导热电子传输的肖特基结光热催化二氧化碳还原催化剂及其制备方法

本发明涉及能源和催化的，尤其涉及一种基于局域表面等离子体共振效应诱导热电子传输的ag/g-c3n4肖特基结光热催化co2还原催化剂及其制备方法。

背景技术：

1、随着社会的高度发展，能源消耗也随之不断增长，化石燃料依然是可利用能源的主体，其在使用后排放出大量co2气体也成为全球气候变暖的主要影响因素之一。为应对以上能源需求以及环境保护要求，通过利用太阳能进行光热催化还原co2，从而制备具有高附加值的化工原料成为缓解温室效应、减少额外能源损耗的有效途径之一。光热催化co2还原可以采用无成本无污染的太阳能作为能源，将co2与h2o等原料直接转化为具有化工价值的碳氢化合物，如甲酸，甲醇，甲烷，轻烃或燃料前体。然而，在光热催化进程中，光生电子-空穴对的快速复合，以及对太阳光谱的吸收和利用效率较低成为了当下光热催化面临的巨大挑战之一。因此，研发低能耗、有效电荷分离和高太阳能利用率的光热催化材料具有重要意义。

2、其中，石墨相氮化碳(g-c3n4)是在近几年受到关注的新型半导体光催化剂，具有良好的导光和光吸收性能，能够有效吸收太阳光谱中波长小于475nm的蓝紫光。在2009年，g-c3n4首次被报道在作为光催化剂高效制氢；而在2013年，g-c3n4则被首次应用于光催化还原co2中。由此掀起了g-c3n4在光催化co2还原的研究热潮。然而，单一的g-c3n4在光催化应用中仍存在着一些的问题，例如纯组分g-c3n4存在比表面积小、光利用率低以及光生电子-空穴对复合率高等，而通过构建异质结构(肖特基结，范德华异质结，z型异质结，s型异质结)往往是实现电荷分离的有效解决策略之一。

技术实现思路

1、本发明针对g-c3n4在光催化应用中存在的部分问题，设计了一种基于局域表面等离子体共振效应诱导热电子传输的ag/g-c3n4肖特基结光热催化co2还原催化剂及其制备方法。通过构建金属/半导体异质结构，能够实现电子和空穴的有效分离，增加对光生电子的利用率；此外，贵金属的lspr效应则通过激发高能热电子，使得材料晶格内部产生局部热效应和近磁场增强，进一步活化反应分子，降低反应活化能。与g-c3n4相比，ag/g-c3n4在太阳光谱下表现出更高的光热催化co2还原活性，本发明为设计用于高效光热催化co2还原催化剂材料提供了一种可行的合成路径。

2、本发明的目的在于提供一种基于局域表面等离子体共振效应诱导热电子传输的ag/g-c3n4肖特基结光热催化co2还原催化剂及其制备方法，以期望解决单一g-c3n4催化剂性能不足等问题。

3、为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于诱导热电子传输的肖特基结光热催化二氧化碳还原催化剂，所述催化剂是基于局域表面等离子体共振效应诱导热电子传输的ag/g-c3n4肖特基结光热催化co2还原催化剂，所述催化剂是石墨氮化碳(g-c3n4)表面负载银纳米颗粒，是具有肖特基结异质结构的金属/半导体。所述催化剂表面均匀负载ag纳米粒子，在光照条件下通过lspr效应激发高能量热电子，从而加快光热催化反应的进行。

4、所述催化剂的甲烷演化速率为6.26～12.75μmol g-1h-1；一氧化碳演化为53.27～100.68μmol g-1h-1。

5、本发明还提供了一种基于局域表面等离子体共振效应诱导热电子传输的ag/g-c3n4肖特基结光热催化co2还原催化剂的制备方法，包含如下步骤：

6、(1)将三聚氰胺进行高温煅烧处理，得到大块g-c3n4；

7、(2)将步骤(1)中得到的大块g-c3n4进行研磨处理；

8、(3)称取agno3颗粒与步骤(2)中得到的g-c3n4共混溶于去离子水并搅拌，得到悬浮液；

9、(4)将步骤(3)中得到的悬浮液进行氙灯照射处理；(5)将步骤(4)中的混合物进行干燥处理后得到所需ag/g-c3n4肖特基催化剂样品。

10、作为上述技术方案的优选，本发明提供的基于局域表面等离子体共振效应诱导热电子传输的ag/g-c3n4肖特基结光热催化co2还原催化剂的制备方法进一步包括下列技术特征的部分或全部：

11、作为上述技术方案的改进，所述步骤(1)中，煅烧温度为550℃，升温速率为2℃/min，煅烧时长为5～6h。

12、作为上述技术方案的改进，所述步骤(3)中agno3颗粒、精细g-c3n4粉末与去离子水的比例范围为0.05g：1g：30ml，搅拌时长为4～5h。

13、作为上述技术方案的改进，所述步骤(3)中，当加入agno3的加入量为5wt％时，所制备的催化剂的甲烷和一氧化碳演化速率分别为6.26和53.27μmol g-1h-1；而当加入agno3的加入量为10wt％时，所制备的催化剂的甲烷和一氧化碳演化速率则分别为10.44和88.79μmol g-1h-1。

14、作为上述技术方案的改进，所述步骤(4)得到的悬浮液在磁力搅拌下采用氙灯照射处理，照射时长为5～6h。

15、作为上述技术方案的改进，所述步骤(5)中的混合物进行干燥处理，干燥温度为45～65℃，干燥时长为24～36h。

16、与现有技术相比，本发明的技术方案具有如下有益效果：

17、1.本发明提供一种基于局域表面等离子体共振效应诱导热电子传输的ag/g-c3n4肖特基结光热催化co2还原催化剂及其制备方法，ag/g-c3n4的金属/半导体肖特基异质结基于能带弯曲，在两种物质之间实现了一个电势能垒，使得光生载流子有效分离。

18、2.ag纳米粒子的引入增加了材料对太阳光谱在红外区间的光谱吸收，而在材料内部，通过lspr效应激发产生的热电子在非辐射弛豫过程中引发了材料的晶格振动，从而实现了材料外部和内部局部温度提升，双向驱动光热催化co2还原反应的进行。

19、3.本发明制备过程简单，催化效率高且试剂污染小。

20、上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下结合优选实施例，详细说明如下。

技术特征：

1.一种基于诱导热电子传输的肖特基结光热催化二氧化碳还原催化剂，其特征在于：所述基于诱导热电子传输的肖特基结光热催化二氧化碳还原催化剂是石墨氮化碳g-c3n4表面负载银纳米颗粒，是具有肖特基结异质结构的金属/半导体。

2.如权利要求1所述的基于诱导热电子传输的肖特基结光热催化二氧化碳还原催化剂，其特征在于：所述催化剂的甲烷演化速率大于6.26μmol g-1h-1；一氧化碳演化速率大于53.27μmol g-1h-1。

3.一种基于诱导热电子传输的肖特基结光热催化二氧化碳还原催化剂的制备方法，其特征在于，包含如下步骤：

4.如权利要求3所述的基于局域表面等离子体共振效应诱导热电子传输的ag/g-c3n4肖特基结光热催化co2还原催化剂的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，煅烧温度为550℃，升温速率为2℃/min，煅烧时长为5～6h。

5.如权利要求3所述的基于局域表面等离子体共振效应诱导热电子传输的ag/g-c3n4肖特基结光热催化co2还原催化剂的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中agno3颗粒、精细g-c3n4粉末与去离子水的比例范围为0.05g：1g：30ml，搅拌时长为4～5h。

6.如权利要求3所述的基于局域表面等离子体共振效应诱导热电子传输的ag/g-c3n4肖特基结光热催化co2还原催化剂的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)得到的悬浮液在磁力搅拌下采用氙灯照射处理，照射时长为5～6h。

7.如权利要求3所述的基于局域表面等离子体共振效应诱导热电子传输的ag/g-c3n4肖特基结光热催化co2还原催化剂的制备方法，其特征在于：所述步骤(5)中的混合物进行干燥处理，干燥温度为45～65℃，干燥时长为24～36h。

技术总结
本发明公开了一种基于诱导热电子传输的肖特基结光热催化二氧化碳还原催化剂及其制备方法，催化剂是石墨氮化碳(g‑C<subgt;3</subgt;N<subgt;4</subgt;)表面负载银纳米颗粒，是具有肖特基结异质结构的金属/半导体。光照条件下，基于Ag纳米粒子的局域表面等离子体共振效应，使得该催化材料表面富含高能热电子，从而有助于其对太阳光谱的吸收和捕获并有效抑制光生电子‑空穴对的复合。本发明制备过程简便快捷，质量可控，有利于推广应用。

技术研发人员：陈丽华,江鹏,廖泊诚,丘文涛,吕可,杜何有,吴丹玥,李立扬,张子坚,余申,孙明慧,李小云,苏宝连
受保护的技术使用者：武汉理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23