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CN111659392B - 一种由氧化钨-金属表面等离子共振激元-铬酸钆组成的桥式异质催化剂的制备及应用 - Google Patents

一种由氧化钨-金属表面等离子共振激元-铬酸钆组成的桥式异质催化剂的制备及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种由氧化钨‑金属表面等离子共振激元‑铬酸钆组成的桥式异质催化剂及其制备方法和在光热催化反应中的应用。其中，金属表面等离子共振激元为Ag、Bi等具有表面等离子体共振效应的金属颗粒M，连接在氧化钨和铬酸钆两半导体间，形成半导体间光生或热致电荷传递的桥连。本发明所获的桥式异质催化剂的表述方式为WO3/M/GdCrO3，具有强光热催化能力，可在可见光照射的温和条件下，实现甲苯、二甲苯和苯等典型有机气体污染物的完全催化净化，以及高效催化还原CO2产CO。

Description

一种由氧化钨-金属表面等离子共振激元-铬酸钆组成的桥式 异质催化剂的制备及应用
技术领域
本发明涉及一种由氧化钨-金属表面等离子共振激元-铬酸钆组成的桥式异质催化剂的制备及其在光热催化净化有机气体污染物（VOCs）和催化还原CO2产CO中的应用，属于光、光热催化的环境保护和能源转换技术领域。
背景技术
光催化技术具有反应条件温和、能耗低等特点，已被广泛用于催化净化有机气体污染物（VOCs）、CO2还原、水分解产氢及甲烷的部分氧化等领域，是能源和环境催化领域最具应用前景的技术之一。由能带交错半导体组成的异质催化剂，包括Z型，传统I型，传统II型等，已被大量开发与研究并且现今依然是研究的热点。这些异质体系的光生电子-空穴对可通过组份半导体的能带交错界面快速迁移而有效分离，从而获得比单一组份半导体更强的氧化还原能力，例如，Z型异质结Ag-WO3-Bi2WO6（Applied Catalysis B: Environmental, 2019, 242, 76-84）和传统II型异质结WO3@W18O49（Chemical Engineering Journal, 2020, 389, 124474）都能获得比WO3更强的光催化性能。然而，在能隙交错半导体组成的异质催化剂的优化中，其光吸收性质、光生载流子分离率和组份半导体氧化还原电位三者间存在着相互制约的关系，致使能隙交错类半导体构筑的异质催化剂的催化性能的优化遇到了瓶颈。能隙分裂半导体可构筑具有高氧化还原电位的异质体系，如传统III型异质结，但能隙分裂界面阻碍了异质体系光生电子-空穴对的迁移而导致低效的光生载流子分离率，进而导致其光催化能力低下。
发明内容
针对以上光催化领域中复合物异质体系所面临的问题，本发明提供了一种由氧化钨-金属表面等离子共振激元-铬酸钆组成的桥式异质催化剂及其制备方法和在光热催化反应中的应用。金属表面等离子共振激元为Ag、Bi等具有表面等离子体共振效应的金属颗粒M。本发明所获桥式异质催化剂的表述方式为WO3/M/GdCrO3。以WO3/M/GdCrO3桥式异质催化剂的重量为100%计，M的含量为0.01%~20%，优选0.1%~5%。
上述的WO3/M/GdCrO3桥式异质催化剂，其制备方法包括如下步骤：
（1）分别合成氧化钨和铬酸钆颗粒；
（2）将氧化钨、铬酸钆、M金属的前驱体盐、溶剂、粘结剂或沉淀剂等混合成型，或者先将氧化钨或铬酸钆与M金属的前驱体盐、溶剂、沉淀剂等混合反应，再与铬酸钆或氧化钨混合；
（3）将步骤(2)中所获得的混合物通过在含氧气或含氢气气氛中焙烧获得氧化钨-金属表面等离子共振激元-铬酸钆组成的桥式异质催化剂。
其中，步骤（1）中氧化钨(WO3)和铬酸钆(GdCrO3)颗粒可采用文献或专利公开的方法（例如，Applied Surface Science, 2017, 393, 180-190；CN110237853A）合成。
步骤(2)中溶剂为水、乙醇等常用溶剂；粘结剂可选用催化剂成型过程中常采用的高分子聚合物，例如聚乙烯吡咯烷酮（PVP）；沉淀剂指NaOH、氨水等常用调节pH值的碱；M的前驱体盐优选硝酸盐。
步骤（3）焙烧气氛为空气或氢气，也可以为氧气或氢气与惰性气体组成的混合气体代替，焙烧温度为150~900 oC，焙烧时间为0.1~24 h。优选焙烧温度为300~500 oC，焙烧时间为30 min~6 h。
本发明的再一个目的是提供上述的一种由氧化钨-金属表面等离子共振激元-铬酸钆组成的桥式异质催化剂WO3/M/GdCrO3在光热催化反应中的应用。本发明所提供的WO3/M/GdCrO3桥式异质催化剂的应用是其光热催化降解空气中挥发性有机气体污染物（VOCs），如甲苯、二甲苯、苯等难降解气体污染物，和光热催化还原CO2产CO。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：（1）WO3/M/GdCrO3桥式异质催化剂的原料来源丰富，价格便宜，材料合成条件简单温和，这些因素都利于工业放大生产。（2）由能隙分裂半导体构筑的WO3/M/GdCrO3桥式异质催化剂实现了光吸收性质、光生载流子分离率和组份半导体氧化还原电位三者间优化中的共赢，克服了传统的由能隙交错半导体构筑的Z型，Type-I型与Type-II型异质催化剂在优化以上三者时存在的相互制约关系。（3）本发明提供的WO3/M/GdCrO3桥式异质催化剂既能在可见光照射的温和反应条件下，如90oC，完全催化降解挥发性有机气体污染物（VOCs），如甲苯、二甲苯、苯等，又具有高效的光热催化还原CO2产CO性能。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明作进一步详细的叙述，但本发明的实施方法灵活，不限于实施例所述的具体操作方式，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
实施例1
一种WO3/Ag/GdCrO3 桥式异质催化剂：（1）WO3和GdCrO3按照已报道方法合成（Applied Surface Science, 2017, 393, 180-190；CN110237853A）；（2）称取0.5 g WO3和0.5 g GdCrO3 超声1 h分散于4 g乙醇后加入50 uL溶有0.05 g硝酸银的混合水溶液继续搅拌30 min得到混合物A；（3）称取1.0 g的聚乙烯吡咯烷酮（PVP）加入8 g无水乙醇中搅拌3h 后加入混合物A，然后继续搅拌1 h直至所有原料混合均匀而得纺丝液前体；（4）以9.0 kV纺丝电压及15 uL min-1的纺丝速度获得WO3/Ag+/GdCrO3-PVP前体纺丝线并置于鼓风烘箱中110 oC干燥；（5）干燥后的WO3/Ag+/GdCrO3-PVP前体纺丝线置于管式炉中采用程序升温法在空气氛围下焙烧，焙烧条件为：300 oC下2 h，升温速率为2 oC min-1, 随后于450 oC下1 h，升温速率为1 oC min-1，最后在500 oC下焙烧30 min，升温速率为3 oC min-1。最后自由降温获得WO3/Ag/GdCrO3桥式异质催化剂。其中，Ag的质量分数为2.9%。
对比例1
一种WO3/GdCrO3 异质催化剂：（1）WO3和GdCrO3按照已报道方法合成（Applied Surface Science, 2017, 393, 180-190；CN110237853A）；（2）称取0.5 g WO3和0.5 gGdCrO3 超声1 h分散于4 g乙醇得到混合物A；（3）1.0 g的聚乙烯吡咯烷酮加入8 g无水乙醇中搅拌3 h后加入混合物A，然后继续搅拌1 h直至所有原料混合均匀而得纺丝液前体；（4）以9.0 kV纺丝电压及15 uL min-1的纺丝速度获得WO3/GdCrO3-PVP前体纺丝线并置于鼓风烘箱中110 oC干燥；（5）干燥后的WO3/GdCrO3-PVP置于管式炉中采用程序升温法在空气氛围下焙烧，焙烧条件为：300 oC下2 h，升温速率为2 oC min-1, 随后于450 oC下1 h，升温速率为1 oC min-1，最后在500 oC下焙烧30 min，升温速率为3 oC min-1。最后自由降温获得WO3/GdCrO3异质催化剂。特别地，WO3/GdCrO3异质催化剂中没有金属表面等离子基元。
对比例2
一种WO3+Ag+GdCrO3 物理混合催化剂：（1）WO3和GdCrO3按照已报道方法合成（Applied Surface Science, 2017, 393, 180-190.；CN110237853A）；（2）称取1.0 g的聚乙烯吡咯烷酮加入8 g无水乙醇中搅拌3 h溶解后加入溶有0.25 g硝酸银的0.5 g混合水溶液并继续搅拌1 h得混合物B。混合物B在110 oC干燥后在空气中焙烧获得单质Ag。焙烧条件为：300 oC下2 h，升温速率为2 oC min-1, 随后于450 oC下1 h，升温速率为1 oC min-1，最后在500 oC下焙烧30 min，升温速率为3 oC min-1；（3）称取0.5 g WO3，0.5 g GdCrO3 和0.03g Ag混合研磨均匀得WO3+Ag+GdCrO3 物理混合催化剂。其中Ag的质量分数为2.9%。特别地，WO3+Ag+GdCrO3 物理混合催化剂中WO3、金属表面等离子基元Ag和GdCrO3三组份没有紧密接触。
实施例2
一种WO3/Ag/GdCrO3 桥式异质催化剂：（1）WO3和GdCrO3按照已报道方法合成（Applied Surface Science, 2017, 393, 180-190；CN110237853A）；（2）称取0.5 g WO3和0.5 g GdCrO3 超声1 h分散于4 g乙醇后加入50 uL溶有0.008 g硝酸银的混合水溶液继续搅拌30 min得到混合物A；（3）称取1.0 g的聚乙烯吡咯烷酮加入8 g无水乙醇中搅拌3 h后加入混合物A，然后继续搅拌1 h直至所有原料混合均匀而得纺丝液前体；（4）以9.0 kV纺丝电压及15 uL min-1的纺丝速度获得WO3/Ag+/GdCrO3-PVP前体纺丝线并置于鼓风烘箱中110oC干燥；（5）干燥后的WO3/Ag+/GdCrO3-PVP前体纺丝线置于管式炉中采用程序升温法在空气氛围下焙烧，焙烧条件为：300 oC下2 h，升温速率为2 oC min-1, 随后于450 oC下1 h，升温速率为1 oC min-1，最后在500 oC下焙烧30 min，升温速率为3 oC min-1。最后自由降温获得WO3/Ag/GdCrO3桥式异质催化剂。其中，Ag的质量分数为：0.5%。
实施例3
一种WO3/Ag/GdCrO3 桥式异质催化剂：（1）WO3和GdCrO3按照已报道方法合成（Applied Surface Science, 2017, 393, 180-190；CN110237853A）；（2）称取0.5 g WO3和0.5 g GdCrO3 超声1 h分散于4 g乙醇后加入50 uL溶有0.75 g硝酸银的混合水溶液继续搅拌30 min得到混合物1；（3）1.0 g的聚乙烯吡咯烷酮加入8 g无水乙醇中搅拌3 h后加入混合物1，然后继续搅拌1 h直至所有原料混合均匀而得纺丝液前体；（4）以9.0 kV纺丝电压及15 uL min-1的纺丝速度获得WO3/Ag+/GdCrO3-PVP前体纺丝线并置于鼓风烘箱中110 oC干燥；（5）干燥后的WO3/Ag+/GdCrO3-PVP前体纺丝线置于管式炉中采用程序升温法在空气氛围下焙烧，焙烧条件为：300 oC下2 h，升温速率为2 oC min-1, 随后于450 oC下1 h，升温速率为1 oC min-1，最后在500 oC下焙烧30 min，升温速率为3 oC min-1。最后自由降温获得WO3/Ag/GdCrO3桥式异质催化剂。其中，Ag的质量分数为4.5%。
实施例4
一种WO3/Bi/GdCrO3 桥式异质催化剂：（1）WO3和GdCrO3按照已报道方法合成（Applied Surface Science, 2017, 393, 180-190；CN110237853A）；（2）将10 mL溶有1.0mol L-1 Bi(NO3)3·5H2O的稀溶液加入已超声分散了0.2 g WO3的10 mL去离子水中，搅拌10min后，滴加沉淀剂氢氧化钠溶液将溶液的pH值调整到8.0，得到Bi(OH)3/WO3前体沉淀，进一步搅拌30 min后，过滤并用乙醇和去离子水洗涤数次，然后在空气中80 oC干燥;（3）Bi(OH)3/WO3前体在500 oC下空气氛围下煅烧3 h得到50 wt.% Bi2O3/WO3。（4）0.4 g GdCrO3和0.1 g Bi2O3/WO3充分混合置于管式炉中焙烧，焙烧条件为在氢气气氛下400 oC煅烧10min，氢气的气流量为（50 mL/min）。最后自由降温获得获得WO3/Bi/GdCrO3 桥式异质催化剂。其中，Bi的质量分数为4.6%。
应用例1
材料催化净化有机气体污染物甲苯、二甲苯或苯的性能测试按照以下条件进行：取0.2 g催化剂均匀涂膜在7.0 cm2的表面皿上，并置于反应釜底部，用混合气（O2:N2=1:3）吹扫30 min除去反应釜内CO2。甲苯气体通过鼓泡，由混合气（O2:N2=1:3）吹入反应釜，二甲苯和苯由移液枪从反应器外加入。甲苯、二甲苯或苯在反应釜中的初始浓度都为~700 ppm。装上UVIR-cut420滤波片的300 W氙灯作为模拟可见光(λ=420~780 nm，光强为100 mW·cm-2)。反应釜于反应前在室温下避光处理30 min，使甲苯、二甲苯或苯在催化剂表面达到吸-脱附平衡。反应温度为90 oC，反应时间为2 h。甲苯、二甲苯或苯的浓度通过气相色谱（GC7900, FID）检测，CO2的产量通过气相色谱(GC2060, FID）检测。检测的气体污染物甲苯、二甲苯或苯及产物CO2的浓度用于换算的气体污染物的催化净化率。
应用例2
催化还原CO2产CO测试条件：5 mg样品超声分散于10 mL甲醇中得混合溶液1。混合溶液1置于40 mL派热克斯玻璃瓶子中。混合溶液1用CO2气体鼓泡10 min去除O2。光源为装上UVIR-cut420滤波片的300 W的氙灯作为模拟可见光(λ=420~780 nm，光强为100 mW·cm-2)。反应过程中，反应瓶被放置于控温磁力搅拌器上，反应温度通过搅拌器及冰水袋控制。在光照与90 oC下反应1 h后，CO的产量由气相色谱仪(GC9790, 福立分析仪器有限公司)测定。
表1 为应用例1测试的桥式异质催化剂催化净化有机污染气体的活性评价结果
表2 为应用例2测试的桥式异质催化剂催化还原CO2产CO的活性评价结果
材料 CO2催化产CO产率（umol g-1 h-1）
实施例2 8.66

Claims (2)

1. 一种用于光热催化反应的由氧化钨-金属表面等离子共振激元-铬酸钆组成的桥式异质结催化剂，其特征在于，所述异质结催化剂由氧化钨、铬酸钆和连接在两半导体间的金属表面等离子共振激元Ag或 Bi金属颗粒组成；以桥式异质结催化剂的重量为100%计，金属表面等离子共振激元含量为0.01%~20%；所述异质结催化剂的制备方法包括如下步骤：
（1）分别合成氧化钨WO3和铬酸钆GdCrO3颗粒；
（2）将氧化钨、铬酸钆、Ag或 Bi金属的前驱体盐、溶剂和沉淀剂混合成型；或者，先将氧化钨与Ag或 Bi金属的前驱体盐、溶剂和沉淀剂混合反应，再与铬酸钆混合；或者，先将铬酸钆与Ag或 Bi金属的前驱体盐、溶剂和沉淀剂混合反应，再与氧化钨混合；
（3）将步骤(2)中所获得的包含Ag金属的混合物在含氧气或含氢气气氛中焙烧或者包含Bi金属的混合物在含氢气气氛中焙烧，获得由氧化钨-金属表面等离子共振激元-铬酸钆组成的桥式异质结催化剂。
2.权利要求1所述的一种由氧化钨-金属表面等离子共振激元-铬酸钆组成的桥式异质结催化剂在光热催化反应中的应用。
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