首页 > 专利 > 广西师范大学 > 一种异质结复合材料及其应用专利详情

一种异质结复合材料及其应用   0    0

实质审查 查看PDF
专利申请流程有哪些步骤?
专利申请流程图
申请
申请号:指国家知识产权局受理一件专利申请时给予该专利申请的一个标示号码。唯一性原则。
申请日:提出专利申请之日。
2021-09-08
申请公布
申请公布指发明专利申请经初步审查合格后,自申请日(或优先权日)起18个月期满时的公布或根据申请人的请求提前进行的公布。
申请公布号:专利申请过程中,在尚未取得专利授权之前,国家专利局《专利公报》公开专利时的编号。
申请公布日:申请公开的日期,即在专利公报上予以公开的日期。
2021-11-23
授权
授权指对发明专利申请经实质审查没有发现驳回理由,授予发明专利权;或对实用新型或外观设计专利申请经初步审查没有发现驳回理由,授予实用新型专利权或外观设计专利权。
预估到期
发明专利权的期限为二十年,实用新型专利权期限为十年,外观设计专利权期限为十五年,均自申请日起计算。专利届满后法律终止保护。
2041-09-08
基本信息
有效性 实质审查 专利类型 发明专利
申请号 CN202111051538.1 申请日 2021-09-08
公开/公告号 CN113600225A 公开/公告日 2021-11-05
授权日 预估到期日 2041-09-08
申请年 2021年 公开/公告年 2021年
缴费截止日
分类号 B01J27/24C01B32/40 主分类号 B01J27/24
是否联合申请 独立申请 文献类型号 A
独权数量 1 从权数量 7
权利要求数量 8 非专利引证数量 1
引用专利数量 7 被引证专利数量 0
非专利引证 1、陈伟等: "Mg-Al类水滑石/二氧化钛异质复合纳米晶光催化氧化苯的性能", 《催化学报》;
引用专利 EP3006108A1、WO2017012210A1、CN108554439A、CN109663610A、CN111167499A、CN111437820A、CN111545235A 被引证专利
专利权维持 99 专利申请国编码 CN
专利事件 事务标签 公开、实质审查
申请人信息
申请人 第一申请人
专利权人 广西师范大学 当前专利权人 广西师范大学
发明人 秦玉梅、徐倩鑫、朱彪 第一发明人 秦玉梅
地址 广西壮族自治区桂林市七星区育才路15号广西师范大学 邮编 541004
申请人数量 1 发明人数量 3
申请人所在省 广西壮族自治区 申请人所在市 广西壮族自治区桂林市
代理人信息
代理机构
专利代理机构是经省专利管理局审核,国家知识产权局批准设立,可以接受委托人的委托,在委托权限范围内以委托人的名义办理专利申请或其他专利事务的服务机构。
北京汇捷知识产权代理事务所 代理人
专利代理师是代理他人进行专利申请和办理其他专利事务,取得一定资格的人。
崔建章
摘要
本发明提供一种异质结复合材料及其应用,属于复合材料领域,异质结复合材料为g‑C3N4/P25/NiFe‑LDH异质结复合材料,由水滑石前驱水溶液、g‑C3N4纳米片和P25在高温环境中制备成。异质结复合材料用于将二氧化碳在光催化作用下还原为一氧化碳。本发明将半导体材料g‑C3N4、P25及水滑石构建异质结结构,可利用异质结的光催化协同作用有效提高了复合材料的光催化性能,CO产率可达161.79μmol/g,约为纯LDHs粉体材料的4.82倍,大大提高了光催化CO2还原反应的产率,复合材料具有良好的光催化稳定性。
  • 摘要附图
    一种异质结复合材料及其应用
  • 说明书附图:图1
    一种异质结复合材料及其应用
  • 说明书附图:图2
    一种异质结复合材料及其应用
法律状态
序号 法律状态公告日 法律状态 法律状态信息
1 2021-11-23 实质审查的生效 IPC(主分类): B01J 27/24 专利申请号: 202111051538.1 申请日: 2021.09.08
2 2021-11-05 公开
权利要求
权利要求书是申请文件最核心的部分,是申请人向国家申请保护他的发明创造及划定保护范围的文件。
1.一种异质结复合材料,其特征在于:异质结复合材料为g‑C3N4/P25/NiFe‑LDH异质结复合材料,由水滑石前驱水溶液、g‑C3N4纳米片和P25在高温环境中制备成。

2.根据权利要求1所述的一种异质结复合材料,其特征在于:g‑C3N4纳米片的制备过程为,将10g三聚氰胺放入氧化铝陶瓷舟中,并在550℃下在N2气氛下煅烧2h,温度升高的速度为5℃/min,自然冷却后获得黄色产品,并在进一步使用前研磨成细粉,使用NH4Cl辅助的方法制备剥层后的g‑C3N4,将2g g‑C3N4粉末混合在50mL水中,并在90℃下干燥,在相同的加热条件下再次煅烧混合物,将约100mg粉末的产物分散,然后进行热处理,将所得悬浮液低速离心以分离剩余的g‑C3N4,最后,将100mg剥层后的g‑C3N4分散在250mL无水乙醇中,用超声机超声5h,然后离心,并干燥上清液悬浮液以获得浅黄色的g‑C3N4粉末,从而获得超薄的g‑C3N4纳米片。

3.根据权利要求2所述的一种异质结复合材料,其特征在于:制备水滑石前驱水溶液的具体过程为,将0.5mmol Fe(NO3)3·9H2O、1.5mmol Ni(NO3)2·6H2O、10mmol NH2CONH2和
5mmol NH4F溶解在50mL去离子水中并搅拌形成溶液A。

4.根据权利要求3所述的一种异质结复合材料,其特征在于:称取50‑200mg P25,将P25分散在10mL水中,并用超声机超声处理30min以形成溶液B。

5.根据权利要求4所述的一种异质结复合材料,其特征在于:称取200mg g‑C3N4纳米片,将其分散在10mL水中,并用超声机超声处理30min以形成溶液C,然后在超声机超声处理下将溶液A、B、C混合在一起30分钟,将反应液加入100mL聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中,置于120℃的烘箱中进行8小时的水热反应处理,用去离子水和无水乙醇反复清洗复合材料三次的同时并用离心机离心,以去除吸附在复合材料表面的杂质,并在60℃的烘箱中干燥,得到g‑C3N4/P25/NiFe‑LDH异质结材料。

6.根据权利要求1‑5任意一项所述的一种异质结复合材料的应用,其特征在于:用于将二氧化碳在光催化作用下还原为一氧化碳。

7.根据权利要求6所述的一种异质结复合材料的应用,其特征在于:还原二氧化碳的具体过程为,将还原催化剂放置在反应器中,水浴锅加热产生水蒸汽,通过CO2气体通入反应器的方式将水蒸汽和CO2的混合气体带入反应器中,吹扫一定时间,然后在反应器的外侧加设光照,每小时从反应室中取样1毫升的气体产物,然后使用气相色谱进行分析。

8.根据权利要求7所述的一种异质结复合材料的应用,其特征在于:在通入混合气体前,先通入CO2气体吹扫1.5h去除反应器中的空气,通气的速度为10mL/min,反应器为透明的石英反应器,使用300W氙灯模拟太阳光,氙灯距离催化还原材料的距离为8cm,反应器的体积为200mL,混合气体进行气氛中平衡30min,以确保完全吸附气体分子。
说明书

技术领域

[0001] 本发明涉及复合材料领域,尤其涉及一种异质结复合材料及其应用。

背景技术

[0002] 由于对化石燃料的大量使用,燃烧产生的大量二氧化碳(CO2)已经给人们的生活造成了很大影响。由于温室效应导致的冰川融化、海平面上升等问题也影响到人类和动物的栖息地安全。因此,利用绿色清洁能源太阳能将二氧化碳转换成可再生能源是解决二氧化碳大量排放的最佳方法之一,通过光催化有效降低大气中二氧化碳浓度从而减缓温室效应刻不容缓。光催化二氧化碳还原(CO2PR),利用具有合适带隙的半导体光催化材料,在太阳光照射下,将CO2还原成其他更有效含碳化学材料(如CO、CH4等),在减少碳排放改善温室效应的同时,能够把CO2转换成有用的基本化工原材料,实现CO2的资源化利用。
[0003] 二氧化碳光催化还原反应(CO2PR)的先进研究一直吸引着人们对这一领域的兴趣,一系列半导体光催化材料都被广泛研究用以解决二氧化碳过度排放的问题。具有合适带隙的半导体光催化材料,在受到光激发后,会产生电子和空穴对,进而电子转移到表面受体分子上,从而实现高效还原反应。通过在催化材料表面的CO2吸附使得CO2惰性分子首先被活化,从而降低CO2接受电子攻击的难易程度,进而促进还原过程中电子和质子的转移、旧键的断裂以及新键的生成。当然,在反应过程中也不可避免地会有载流子复合现象,严重抑制了光催化活性,因此在CO2PR的发展过程中,探索研发更高效、载流子分离更优异的光催化材料势在必行。
[0004] 二氧化钛(TiO2)作为一种具有稳定、廉价、制备工艺简单以及储量丰富等多种优点的光催化材料,被作为优异半导体光催化材料用于二氧化碳光催化还原的研究中。空白二氧化钛电子和空穴复合严重,其光催化活性较低;而以二氧化钛为基底,通过异质结构的制备和助催化材料的负载,能大幅提升材料的光催化活性,加速电子传输,抑制光生电子和空穴复合,延长电子寿命,提升光催化二氧化碳还原活性和选择性。现有光催化二氧化碳还原反应,具有以下缺点:1、催化材料中贵金属部分成本昂贵,储量较小,不利于工业化。2、电子和空穴分离能力低,光催化二氧化碳还原活性低、产物选择性差。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种异质结复合材料及其应用,解决现有二氧化碳还原材料容易团聚,活性不高的技术问题。
[0006] 为了实现上述目的,本发明采用的技术方案如下:
[0007] 一种异质结复合材料,异质结复合材料为g‑C3N4/P25/NiFe‑LDH异质结复合材料,由水滑石前驱水溶液、g‑C3N4纳米片和P25在高温环境中制备成。
[0008] 进一步地,g‑C3N4纳米片的制备过程为,将10g三聚氰胺放入氧化铝陶瓷舟中,并在550℃下在N2气氛下煅烧2h,温度升高的速度为5℃/min,自然冷却后获得黄色产品,并在进一步使用前研磨成细粉,使用NH4Cl辅助的方法制备剥层后的g‑C3N4,将2g g‑C3N4粉末混合在50mL水中,并在90℃下干燥,在相同的加热条件下再次煅烧混合物,将约100mg粉末的产物分散,然后进行热处理,将所得悬浮液低速离心以分离剩余的g‑C3N4,最后,将100mg剥层后的g‑C3N4分散在250mL无水乙醇中,用超声机超声5h,然后离心,并干燥上清液悬浮液以获得浅黄色的g‑C3N4粉末,从而获得超薄的g‑C3N4纳米片。
[0009] 进一步地,制备水滑石前驱水溶液的具体过程为,将0.5mmol Fe(NO3)3·9H2O、1.5mmol Ni(NO3)2·6H2O、10mmol NH2CONH2和5mmol NH4F溶解在50mL去离子水中并搅拌形成溶液A。
[0010] 进一步地,称取50‑200mg P25,将P25分散在10mL水中,并用超声机超声处理30min以形成溶液B。
[0011] 进一步地,称取200mg g‑C3N4纳米片,将其分散在10mL水中,并用超声机超声处理30min以形成溶液C,然后在超声机超声处理下将溶液A、B、C混合在一起30分钟,将反应液加入100mL聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中,置于120℃的烘箱中进行8小时的水热反应处理,用去离子水和无水乙醇反复清洗复合材料三次的同时并用离心机离心,以去除吸附在复合材料表面的杂质,并在60℃的烘箱中干燥,得到g‑C3N4/P25/NiFe‑LDH异质结材料。
[0012] 一种异质结复合材料的应用,用于将二氧化碳在光催化作用下还原为一氧化碳。
[0013] 进一步地,还原二氧化碳的具体过程为,将还原催化剂放置在反应器中,水浴锅加热产生水蒸汽,通过CO2气体通入反应器的方式将水蒸汽和CO2的混合气体带入反应器中,吹扫一定时间,然后在反应器的外侧加设光照,每小时从反应室中取样1毫升的气体产物,然后使用气相色谱进行分析。
[0014] 进一步地,在通入混合气体前,先通入CO2气体吹扫1.5h去除反应器中的空气,通气的速度为10mL/min,反应器为透明的石英反应器,使用300W氙灯模拟太阳光,氙灯距离催化还原材料的距离为8cm,反应器的体积为200mL,混合气体进行气氛中平衡30min,以确保完全吸附气体分子。
[0015] 本发明由于采用了上述技术方案,具有以下有益效果:
[0016] 本发明将半导体材料g‑C3N4、P25及水滑石构建异质结结构,可利用异质结的光催化协同作用有效提高了复合材料的光催化性能,CO产率可达161.79μmol/g,约为纯LDHs粉体材料的4.82倍,大大提高了光催化CO2还原反应的产率,复合材料具有良好的光催化稳定性。

实施方案

[0019] 为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下参照附图并举出优选实施例,对本发明进一步详细说明。然而,需要说明的是,说明书中列出的许多细节仅仅是为了使读者对本发明的一个或多个方面有一个透彻的理解,即便没有这些特定的细节也可以实现本发明的这些方面。
[0020] 如图1‑2所示,一种异质结复合材料,异质结复合材料为g‑C3N4/P25/NiFe‑LDH异质结复合材料,由水滑石前驱水溶液、g‑C3N4纳米片和P25在高温环境中制备成。
[0021] 异质结复合材料的制备过程为:
[0022] 实施例1:NiFe‑LDH/P25/g‑C3N4的制备(NPC‑1)
[0023] 1)水滑石前驱水溶液的制备:将Fe(NO3)3·9H2O(0.5mmol)、Ni(NO3)2·6H2O(1.5mmol)、NH2CONH2(10mmol)和NH4F(5mmol)溶解在50mL去离子水中并搅拌形成溶液A。
[0024] 2)石墨相氮化碳的制备:将10g三聚氰胺放入氧化铝陶瓷舟中,并在550℃下在N2气氛下煅烧2h(5℃/min)。自然冷却后获得黄色产品,并在进一步使用前研磨成细粉。使用NH4Cl辅助的方法制备剥层后的g‑C3N4。将2g上述g‑C3N4粉末混合在50mL水中,并在90℃下干燥。在相同的加热条件下再次煅烧混合物。将约100mg粉末的产物分散,然后进行热处理。将所得悬浮液低速离心以分离剩余的g‑C3N4。最后,将100mg剥层后的g‑C3N4分散在250mL无水乙醇中,用超声机超声5h,然后离心,并干燥上清液悬浮液以获得浅黄色的g‑C3N4粉末,从而获得超薄的g‑C3N4纳米片。
[0025] 3)称取50mg P25,将其分散在10mL水中,并用超声机超声处理30min以形成溶液B,称取200mg步骤2制备的g‑C3N4,将其分散在10mL水中,并用超声机超声处理30min以形成溶液C。然后在超声机超声处理下将溶液A、B、C混合在一起30分钟,将反应液加入100mL聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中,置于120℃的烘箱中进行8小时的水热反应处理。用去离子水和无水乙醇反复清洗复合材料三次的同时并用离心机离心,以去除吸附在复合材料表面的杂质,并在60℃的烘箱中干燥。得到g‑C3N4/P25/NiFe‑LDH异质结材料,简记为NPC‑1。
[0026] 4)在距离样品约8cm的300W氙灯下进行模拟太阳光的CO2还原实验,该实验在体积约200mL的密封玻璃光反应器中进行。光照前,50mg的NPC‑1放置在光反应器底部,将光反应器用高纯度CO2气体(10mL/min)吹扫1.5h,以去除反应器中的空气。高纯度CO2气体通过水浴锅产生CO2和水蒸汽的混合物。再将并在CO2/H2O气氛中平衡30min,以确保完全吸附气体分子。在光照过程中,每小时从反应室中取样1毫升气体产物,然后使用气相色谱进行分析。如‑1图2所示,NPC‑1复合材料的CO产量为109.44μmol g 。
[0027] 实施例2:NiFe‑LDH/P25/g‑C3N4的制备(NPC‑2)
[0028] 1)2)同实施例1;
[0029] 3)称取100mg P25,将其分散在10mL水中,并用超声机超声处理30min以形成溶液B,称取200mg步骤2制备的g‑C3N4,将其分散在10mL水中,并用超声机超声处理30min以形成溶液C。然后在超声机超声处理下将溶液A、B、C混合在一起30分钟,将反应液加入100mL聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中,置于120℃的烘箱中进行8小时的水热反应处理。用去离子水和无水乙醇反复清洗复合材料三次的同时并用离心机离心,以去除吸附在复合材料表面的杂质,并在60℃的烘箱中干燥。得到g‑C3N4/P25/NiFe‑LDH异质结材料,简记为NPC‑2。
[0030] 4)在距离样品约8cm的300W氙灯下进行模拟太阳光的CO2还原实验,该实验在体积约200mL的密封玻璃光反应器中进行。光照前,50mg的NPC‑2放置在光反应器底部,将光反应器用高纯度CO2气体(10mL/min)吹扫1.5h,以去除反应器中的空气。高纯度CO2气体通过水浴锅产生CO2和水蒸汽的混合物。再将并在CO2/H2O气氛中平衡30min,以确保完全吸附气体分子。在光照过程中,每小时从反应室中取样1毫升气体产物,然后使用气相色谱进行分析。如‑1图2所示,NPC‑2复合材料的CO产量为122.16μmol g 。
[0031] 实施例3:NiFe‑LDH/P25/g‑C3N4的制备(NPC‑3)
[0032] 1)2)同实施例1;
[0033] 3)称取150mg P25,将其分散在10mL水中,并用超声机超声处理30min以形成溶液B,称取200mg步骤2制备的g‑C3N4,将其分散在10mL水中,并用超声机超声处理30min以形成溶液C。然后在超声机超声处理下将溶液A、B、C混合在一起30分钟,将反应液加入100mL聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中,置于120℃的烘箱中进行8小时的水热反应处理。用去离子水和无水乙醇反复清洗复合材料三次的同时并用离心机离心,以去除吸附在复合材料表面的杂质,并在60℃的烘箱中干燥。得到g‑C3N4/P25/NiFe‑LDH异质结材料,简记为NPC‑3。
[0034] 4)在距离样品约8cm的300W氙灯下进行模拟太阳光的CO2还原实验,该实验在体积约200mL的密封玻璃光反应器中进行。光照前,50mg的NPC‑3放置在光反应器底部,将光反应器用高纯度CO2气体(10mL/min)吹扫1.5h,以去除反应器中的空气。高纯度CO2气体通过水浴锅产生CO2和水蒸汽的混合物。再将并在CO2/H2O气氛中平衡30min,以确保完全吸附气体分子。在光照过程中,每小时从反应室中取样1毫升气体产物,然后使用气相色谱进行分析。如‑1图2所示,NPC‑3复合材料的CO产量为161.79μmol g 。而当复合物浓度继续增加时(即NPC‑
4),CO产率反而下降。可能的原因是,催化剂量过多时,,LDH过饱和,导致LDH在CF本身形成聚集态,导致光生电子和空穴的复合严重,以致CO产率下降。
[0035] 实施例4:NiFe‑LDH/P25/g‑C3N4的制备(NPC‑4)
[0036] 1)2)同实施例1;
[0037] 3)称取200mg P25,将其分散在10mL水中,并用超声机超声处理30min以形成溶液B,称取200mg步骤2制备的g‑C3N4,将其分散在10mL水中,并用超声机超声处理30min以形成溶液C。然后在超声机超声处理下将溶液A、B、C混合在一起30分钟,将反应液加入100mL聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中,置于120℃的烘箱中进行8小时的水热反应处理。用去离子水和无水乙醇反复清洗复合材料三次的同时并用离心机离心,以去除吸附在复合材料表面的杂质,并在60℃的烘箱中干燥。得到g‑C3N4/P25/NiFe‑LDH异质结材料,简记为NPC‑4。
[0038] 4)在距离样品约8cm的300W氙灯下进行模拟太阳光的CO2还原实验,该实验在体积约200mL的密封玻璃光反应器中进行。光照前,50mg的NPC‑4放置在光反应器底部,将光反应器用高纯度CO2气体(10mL/min)吹扫1.5h,以去除反应器中的空气。高纯度CO2气体通过水浴锅产生CO2和水蒸汽的混合物。再将并在CO2/H2O气氛中平衡30min,以确保完全吸附气体分子。在光照过程中,每小时从反应室中取样1毫升气体产物,然后使用气相色谱进行分析。如‑1图2所示,NPC‑4复合材料的CO产量为130.86μmol g 。
[0039] 对照例1:NiFe‑LDH。
[0040] 如图2所示,NiFe‑LDH的CO产率为33.57μmol g‑1。
[0041] 对照例2:P25。
[0042] 如图2所示,P25的CO产率为46.02μmol g‑1。
[0043] 对照例3:g‑C3N4。
[0044] 如图2所示,g‑C3N4的CO产率为75.52μmol g‑1。
[0045] 图2是实施例1‑4制得的g‑C3N4/P25/NiFe‑LDH异质结复合材料和对照例1‑3的g‑C3N4、P25、NiFe‑LDH的XRD谱图,由图可知,成功合成了g‑C3N4、P25、NiFe‑LDH和g‑C3N4/P25/NiFe‑LDH异质结复合材料。
[0046] 以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以作出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

附图说明

[0017] 图1是实施例1‑4和对照例1‑3制得的材料的XRD谱图,
[0018] 图2是实施例1‑4和对照例1‑3制得的材料的光催化还原CO2性能图。
版权所有:盲专网 ©2023 zlpt.xyz  蜀ICP备2023003576号