阅读说明：本技术 石墨相氮化碳催化剂的制备方法和太阳能-化学能-氢能-电能的高效循环转化方法 (Preparation method of graphite phase carbon nitride catalyst and efficient cyclic conversion method of solar energy, chemical energy, hydrogen energy and electric energy ) 是由 李长明 胡俊蝶 沈杨彬 于 2020-05-13 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种石墨相氮化碳催化剂的制备方法,以富含氮原子的有机分子为前驱体,在温度为400-550℃的聚合作用下制备g-C-(3)N-(4)材料,并通过煅烧调控g-C-(3)N-(4)材料的形貌和比表面积。本发明还公开了一种太阳能-化学能-氢能-电能高效循环转化方法,包括如下步骤：(1)采用在第一催化剂将二氧化碳还原制备为一氧化碳和将水还原制备为氢气；将还原制备得到的一氧化碳和氢气混合得到水煤气；(2)聚光太阳能,在第二催化剂的催化作用下将水煤气转化为甲醇；(3)聚光太阳能,在第三催化剂的催化作用下将甲醇和水蒸气重整,生成氢气和二氧化碳,并利用生成的氢气驱动燃料电池,产生电能。(The invention discloses a preparation method of a graphite phase carbon nitride catalyst, which takes organic molecules rich in nitrogen atoms as a precursor to prepare g-C under the polymerization action of 400-550 DEG C 3 N 4 Material and regulation of g-C by calcination 3 N 4 Morphology and specific surface area of the material. The invention also discloses a solar energy-chemical energy-hydrogen energy-electric energy efficient cyclic conversion method, which comprises the following steps: (1) reducing carbon dioxide to carbon monoxide and water to hydrogen by using a first catalyst; mixing carbon monoxide obtained by reduction with hydrogen to obtain water gas; (2) concentrating solar energy, and converting water gas into methanol under the catalytic action of a second catalyst; (3) concentrating solar energy, reforming methanol and steam under the catalytic action of a third catalyst to generate hydrogen and carbon dioxide, and driving a fuel cell by using the generated hydrogen to generate electric energy.)

石墨相氮化碳催化剂的制备方法和太阳能-化学能-氢能-电 能的高效循环转化方法

技术领域

本发明属于太阳能的利用技术领域，具体的为一种石墨相氮化碳催化剂的制备方法和太阳能-化学能-氢能-电能的高效循环转化方法。

背景技术

化石燃料的过度开采及二氧化碳(CO₂)气体的大量排放给“能源”和“环境”造成了两大危机，尤其是CO₂过量导致的温室效应，使全球气温升高。因此，采用绿色节能方法发展可再生可持续能源是我们努力的方向，尤其是如何将温室气体转变成可再生新能源。早在1979年Inoue课题组报道了在太阳光作用下，通过半导体材料可将CO₂气体转化为碳氢燃料或化学品，可有效实现太阳能向化学能的转化，因此，对于光催化CO₂还原的实验引起了人们的极大兴趣。然而，光催化CO₂还原的产物较多，如一氧化碳(CO)、甲烷(CH₄)、甲醇、甲酸、甲醛等，如何提高光催化CO₂还原反应中产物的选择性是目前研究的难点和重点。CO作为一类重要的化工原料以及制备甲醇、光气、有机分子等重要的原料，因此，提高光催化CO₂还原生产CO气体的选择性意义重大，是我们面临的巨大挑战。

水煤气作为合成液体燃料(甲醇等)、合成氨、工业燃料气的补充来源，其主要成分是CO和氢气(H₂)。用于光催化CO₂还原的半导体材料在太阳光照射下能将H₂O还原成H₂，生成的CO和H₂可以在催化作用下制备液体燃料(如甲醇)，实现太阳能向液体燃料的转化，并实现液态阳光的存储。因此，基于光催化的水煤气制备反应意义重大。此外，液体燃料又能进一步催化生成氢能源，并用于氢氧燃料电池，实现氢能向电能的转化。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种石墨相氮化碳催化剂的制备方法和太阳能-化学能-氢能-电能的高效循环转化方法，不需要输入额外的能源即可实现清洁能源循环，并克服使用大量化石燃料产生的严重温室效应。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明首先提出了一种石墨相氮化碳催化剂的制备方法，以富含氮原子的有机分子为前驱体，在温度为400-550℃的聚合作用下制备g-C₃N₄材料，并通过煅烧调控g-C₃N₄材料的形貌和比表面积。

进一步，采用煅烧法沉积法或浸渍法将Ag、Pt和CuO中的至少一种或将Ag与Pt的合金修饰到g-C₃N₄材料表面或掺杂到g-C₃N₄材料内部。

进一步，所述Ag、Pt、CuO和Ag与Pt的合金呈纳米颗粒、纳米团簇或单原子形态。

进一步，所述g-C₃N₄材料的带隙为2.7eV，比表面积为200m² g^-1。

进一步，煅烧的温度为500℃、时间为4小时、气氛为空气。

本发明还提出了一种太阳能-化学能-氢能-电能高效循环转化方法，包括如下步骤：

(1)采用在第一催化剂将二氧化碳还原制备为一氧化碳和将水还原制备为氢气；将还原制备得到的一氧化碳和氢气混合得到水煤气；

(2)聚光太阳能，在第二催化剂的催化作用下将水煤气转化为甲醇；

(3)聚光太阳能，在第三催化剂的催化作用下将甲醇和水蒸气重整，生成氢气和二氧化碳，并利用生成的氢气驱动燃料电池，产生电能；

所述第一催化剂采用如上所述石墨相氮化碳催化剂的制备方法制备得到的石墨相氮化碳催化剂。

进一步，所述第二催化剂采用但不限于单原子铜和三元铜锌合金(Cu-Cu₂O-CuZn)中的至少一种。

进一步，所述第三催化剂采用但不限于金属有机化合物和负载型单原子催化剂中的至少一种。

进一步，所述金属有机化合物采用但不限于有机铱、有机钌和有机铑中的至少一种。

进一步，所述负载型单原子催化剂采用但不限于氮化锆负载的单原子铂催化剂、氮化锆负载的单原子铱催化剂和氮化锆负载的单原子铑催化剂中的至少一种。

本发明的有益效果在于：

本发明的太阳能-化学能-氢能-电能高效循环转化方法，采用石墨相氮化碳催化剂作为第一催化剂，通过调控g-C₃N₄半导体材料的导带势能可有效调控光催化CO₂还原制备CO的选择性；同时，g-C₃N₄材料又是光催化制备氢能源的有效催化剂，无需外加助催化剂或牺牲剂，在室温太阳光照射下还原水分子生成H₂，将光催化CO₂还原产生的CO气体与光解水产生的H₂气体混合得到水煤气，而后利用第二催化剂可将水煤气转化为甲醇，实现太阳能到化学能的转化；甲醇在第三催化剂的催化作用下与水蒸气重整产生氢气和二氧化碳，实现化学能到氢能的转化，最后利用氢气驱动燃料电池，实现氢能到电能的转化，如此，本发明的太阳能-化学能-氢能-电能的高效循环转化方法，不需要输入额外的能源即可实现清洁能源循环，并克服使用大量化石燃料产生的严重温室效应。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明太阳能-化学能-氢能-电能高效循环转化方法实施例的原理图；

图2为催化生成甲醇的聚光太阳能反应装置的结构示意图；

图3为催化生成甲醇水蒸气重整的聚光太阳能反应装置的结构示意图；

图4为甲醇水蒸气重整的催化剂结构示意图；

图5为本实施例催化甲醇-水蒸气重整反应的催化剂的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

如图1所示，为本发明太阳能-化学能-氢能-电能高效循环转化方法实施例的原理图。本实施例的太阳能-化学能-氢能-电能高效循环转化方法，包括如下步骤：

(1)采用在第一催化剂将二氧化碳还原制备为一氧化碳和将水还原制备为氢气；将还原制备得到的一氧化碳和氢气混合得到水煤气；

(2)将水煤气通入到反应器中，聚光太阳能使反应器温度达到300℃，在第二催化剂的催化作用下将水煤气转化为甲醇，存储得到的甲醇，甲醇便于存储。其反应方程式为：

2H₂+CO→CH₃OH

(3)将甲醇加入到反应器中，聚光太阳能使反应器温度达到150℃，在第三催化剂的催化作用下将甲醇和水蒸气重整，生成氢气和二氧化碳；其反应方程式为：

CH₃OH+H₂O→3H₂+CO₂

利用生成的氢气驱动燃料电池，产生电能；产生的二氧化碳可作为步骤(1)中制备一氧化碳的原料，实现二氧化碳的循环利用。

本实施例的第一催化剂采用如上所述石墨相氮化碳催化剂的制备方法制备得到的石墨相氮化碳催化剂。具体的，本实施例石墨相氮化碳催化剂的制备方法为，以富含氮原子的有机分子为前驱体，在温度为400-550℃的聚合作用下制备g-C₃N₄材料，并通过煅烧调控g-C₃N₄材料的形貌和比表面积，煅烧的温度为500℃、时间为4小时、气氛为空气，所述g-C₃N₄材料的带隙为2.7eV，比表面积为200m² g^-1。具体的，富含氮原子的有机分子包括但不限于尿素、双氰胺、三聚氰胺和硫脲的一种或至少两种的混合物。本实施例采用煅烧法沉积法或浸渍法将Ag、Pt和CuO中的至少一种或将Ag与Pt的合金修饰到g-C₃N₄材料表面或掺杂到g-C₃N₄材料内部，Ag、Pt、CuO和Ag与Pt的合金呈纳米颗粒、纳米团簇或单原子形态，成功制备金属纳米颗粒、团簇、单原子或其合金修饰的g-C₃N₄材料。

进一步，本实施例的第二催化剂采用单原子铜催化剂和三元铜锌合金(Cu-Cu₂O-CuZn)等中的至少一种。

进一步，本实施例的第三催化剂采用但不限于金属有机化合物和负载型单原子催化剂中的至少一种。具体的，金属有机化合物采用但不限于有机铱、有机钌和有机铑中的至少一种。负载型单原子催化剂采用但不限于氮化锆负载的单原子铂催化剂、氮化锆负载的单原子铱催化剂和氮化锆负载的单原子铑催化剂中的至少一种。具体的，本文所述的有机铱、有机钌和有机铑主要是带有如图4所示的化学结构，并与含氮杂环配位的金属有机催化剂。

本实施例的太阳能-化学能-氢能-电能高效循环转化方法，采用石墨相氮化碳催化剂作为第一催化剂，通过调控g-C₃N₄半导体材料的导带势能可有效调控光催化CO₂还原制备CO的选择性；同时，g-C₃N₄材料又是光催化制备氢能源的有效催化剂，无需外加助催化剂或牺牲剂，在室温太阳光照射下还原水分子生成H₂，将光催化CO₂还原产生的CO气体与光解水产生的H₂气体混合得到水煤气，而后利用第二催化剂可将水煤气转化为甲醇，实现太阳能到化学能的转化；甲醇在第三催化剂的催化作用下与水蒸气重整产生氢气和二氧化碳，实现化学能到氢能的转化，最后利用氢气驱动燃料电池，实现氢能到电能的转化，如此，本实施例的太阳能-化学能-氢能-电能的高效循环转化方法，不需要输入额外的能源即可实现清洁能源循环，并克服使用大量化石燃料产生的严重温室效应。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。