張亞婷,李可可,劉國陽,周安寧,王 露,邱介山
(1.西安科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院,陜西西安710054;2.大連理工大學(xué)能源材料化工遼寧省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室暨精細(xì)化工國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧大連116024)
煤基石墨烯宏觀體的制備及其在CO2光催化還原過程中的應(yīng)用
張亞婷1,李可可1,劉國陽1,周安寧1,王 露1,邱介山2
(1.西安科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院,陜西西安710054;2.大連理工大學(xué)能源材料化工遼寧省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室暨精細(xì)化工國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧大連116024)
石墨烯是一種新型二維碳質(zhì)材料,以石墨烯為基本結(jié)構(gòu)單元構(gòu)筑宏觀石墨烯材料是石墨烯走向?qū)嶋H應(yīng)用的重要途徑。以煤基石墨為原料,綜合采用Hummers法、化學(xué)還原及冷凍干燥過程制備出煤基石墨烯宏觀體。利用掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)、傅里葉紅外光譜(FT-IR)、拉曼光譜等對(duì)樣品形貌結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析表征。此外,以煤基石墨烯宏觀體為光催化劑填料搭建固定床反應(yīng)器,應(yīng)用于CO2光催化還原過程。結(jié)果表明,煤基石墨烯宏觀體對(duì)CO2光催化還原反應(yīng)具有較高的催化活性,目標(biāo)產(chǎn)物甲醇的產(chǎn)率最高可達(dá)65.91 μmol/g·cat。
煤;石墨烯宏觀體;光催化;二氧化碳
近年來,隨著化石能源的大量消耗,以CO2為主的溫室氣體排放持續(xù)增加,引發(fā)了能源短缺、氣候變暖等一系列全球性問題[1,2],CO2減排與轉(zhuǎn)化技術(shù)的研究已成為世界各國廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)之一。近年來,以光催化還原CO2實(shí)現(xiàn)其資源化利用的研究取得較大進(jìn)展[3,4],但仍存在轉(zhuǎn)化效率低、催化劑材料對(duì)CO2吸附性能差、以及對(duì)CO2活化和光生電子-空穴分離效率考慮不足等問題[2,5]。因此,尋求一種新型、高效、廉價(jià)的光催化劑具有重要的意義。
碳質(zhì)材料具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性及吸附性能等,在催化領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。石墨烯作為碳質(zhì)材料家族的一支新秀,其具有獨(dú)特的二維晶體結(jié)構(gòu)、巨大的比表面積、良好的電子傳輸性能和熱穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn),為其在催化領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)[6],而且以石墨烯為基本結(jié)構(gòu)單元構(gòu)筑宏觀石墨烯材料,使石墨烯在催化領(lǐng)域的應(yīng)用跨入了一個(gè)新的階段[7]。與傳統(tǒng)粉體催化劑相比,宏觀體催化劑特殊的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和通暢的傳質(zhì)通道,不僅為化學(xué)反應(yīng)提供良好的微環(huán)境與電荷快速轉(zhuǎn)移的路徑,而且有利于減小催化劑床層的壓力降與溫度梯度,從而促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)過程的進(jìn)行[8,9]。Tang等[10]采用水熱法制備出負(fù)載Pd的三維石墨烯宏觀體,并以Heck反應(yīng)檢測宏觀體的催化性能,在反應(yīng)中,以K2CO3作為反應(yīng)基底,載Pd的三維宏觀體作為催化劑,催化碘苯與丙烯酸酯間的反應(yīng),可達(dá)到100%的選擇性和轉(zhuǎn)化率,這個(gè)結(jié)果優(yōu)于Pd催化劑負(fù)載在其他載體上[11]。王旭珍等[12]采用水熱合成法,以氧化石墨、硫鉬酸銨為原料,制備出MoS2/石墨烯組裝體,與傳統(tǒng)的MoS2/γ-Al2O3催化劑相比,在COS催化加氫轉(zhuǎn)化過程中表現(xiàn)出優(yōu)異的催化活性。
筆者采用脫灰太西煤為原料制備煤基氧化石墨烯,通過化學(xué)還原法構(gòu)筑三維煤基石墨烯宏觀體,并以其為填料搭建固定床光催化反應(yīng)器,研究比較宏觀石墨烯材料與傳統(tǒng)片層石墨烯材料對(duì)光催化還原CO2的催化活性,分析催化劑組成、結(jié)構(gòu)與催化性能之間的關(guān)系。
2.1實(shí)驗(yàn)原料
寧夏太西無煙煤(脫灰,D90<74 μm);高錳酸鉀和濃硫酸(質(zhì)量分?jǐn)?shù)98%),西安化學(xué)試劑廠,分析純;硝酸鈉,天津市化學(xué)試劑三廠,分析純;30%雙氧水溶液,鄭州派尼化學(xué)試劑廠,分析純;乙二胺,天津市天力化學(xué)試劑廠,分析純。
2.2樣品的制備
2.2.1煤基氧化石墨烯的制備
以太西無煙煤經(jīng)高溫石墨化處理得到的煤基石墨(TXC)為前軀體,采用改良的Hummers法制備煤基氧化石墨,然后超聲離心制得氧化石墨烯(CGO)溶液[13,14]。具體步驟如下:將34 mL濃硫酸置于燒杯中在冰水浴條件下攪拌,加入0.75 g NaNO3和1 g煤基石墨,再緩慢加入5 g高錳酸鉀,期間持續(xù)攪拌并控制反應(yīng)溫度不超過20℃。反應(yīng)進(jìn)行30 min后,將水浴溫度升至35℃恒溫繼續(xù)反應(yīng)2 h。將燒杯轉(zhuǎn)移至98℃的恒溫水浴中,緩慢加入50 mL去離子水,繼續(xù)攪拌反應(yīng)15 min,然后逐滴加入4 mL 30%的H2O2溶液,還原殘留的氧化劑。趁熱過濾,并用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的稀鹽酸和去離子水充分洗滌直至濾液pH=7為止。將制得的煤基氧化石墨超聲分散5 h后,離心5 min得到CGO溶液。
2.2.2煤基石墨烯宏觀體的制備
以上述制備的CGO溶液為原料,利用化學(xué)還原法制備煤基石墨烯宏觀體。取45 mg的CGO置于錐形瓶,加入15 mL去離子水,超聲2 h,得到均勻的CGO溶液。取60 μL乙二胺溶液,加入CGO溶液中混合均勻,然后將混合溶液轉(zhuǎn)移至一個(gè)密封的玻璃瓶中,在95℃下水浴加熱反應(yīng)6 h。將得到的組裝體冷凍干燥48 h,即得三維煤基石墨烯宏觀體,記做RGO。
2.3樣品表征
Mini Flex 600型X射線衍射儀(XRD),掃描角度2θ=10°~80°,Cu KαX射線源,工作電壓40 kV,工作電流200 mA;美國PerkinElmer公司的Spectrum GX型傅里葉紅外光譜儀(FT-IR),KBr壓片制樣;法國HJY公司的Lab RAM Aramis型顯微激光拉曼光譜儀,激發(fā)光源為10%、532 nm的激光,確定樣品的結(jié)構(gòu)。采用日本HITACHI公司S-4800場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)、日本日立H-7650透射電子顯微鏡(TEM)觀察樣品的形貌。
2.4催化活性評(píng)價(jià)
以煤基石墨烯宏觀體為填料搭建固定床光催化反應(yīng)裝置,用以考察煤基石墨烯宏觀體在CO2光催化還原過程中的催化性能。如圖1所示,一定尺寸的圓柱狀煤基石墨烯宏觀體作為固定床層,置于石英玻璃反應(yīng)器中部,采用0.1 mol/L的NaOH和Na2SO3混合溶液作為液體反應(yīng)介質(zhì),石墨烯宏觀體RGO裝填量保持1 g/L。波長為365 nm、強(qiáng)度為53 μW/cm2的紫外燈環(huán)繞其周圍作為光源。反應(yīng)氣體CO2由石英反應(yīng)器底部通入,流量控制在100 mL/min,氣態(tài)產(chǎn)物經(jīng)冷凝器引入樣品瓶收集,分別采集反應(yīng)時(shí)間為4、6、8、10、12 h的冷凝液,利用浙江福立GC9790Ⅱ氣相色譜儀檢測分析目標(biāo)產(chǎn)物甲醇的含量。
3.1樣品形貌
圖2為CGO和RGO樣品的數(shù)碼照片及電鏡分析圖像。由圖2(a)可以看出,經(jīng)化學(xué)還原法制備出的RGO在微觀結(jié)構(gòu)上呈現(xiàn)出明顯的二維石墨烯片層結(jié)構(gòu),這些柔性片層在組裝過程中堆疊、交錯(cuò),形成了發(fā)達(dá)的網(wǎng)狀孔隙結(jié)構(gòu),尺寸分布在微米到亞微米范圍[15,16]。這種特殊的三維網(wǎng)絡(luò)孔隙在石墨烯宏觀體內(nèi)部形成通暢的傳質(zhì)通道,可以為化學(xué)反應(yīng)提供良好的微環(huán)境以及快速電荷轉(zhuǎn)移的路徑。由掃描電鏡的EDS能譜分析(圖2(b))可知,所制備的RGO樣品中除了含有C元素外,還含有N、O元素。這主要是因?yàn)橐砸叶纷鳛檫€原劑在還原CGO制備石墨烯宏觀體過程中引入了N元素。而O元素的存在,則表明CGO未被徹底還原,制得的RGO中仍含有少量含氧官能團(tuán),這些含氧官能團(tuán)可以使得RGO具有良好親水性。通過圖2(c),進(jìn)一步佐證了樣品的掃描電鏡分析結(jié)果,可以清晰地看出以單層或少層石墨烯層片堆積折疊而成的宏觀結(jié)構(gòu)。而由圖2(d)可見,CGO為少層褶皺的氧化石墨烯片狀結(jié)構(gòu)。
圖1 光催化還原反應(yīng)裝置Fig.1 Photocatalytic reaction system.
圖2 (a)RGO掃描電鏡照片;(b)RGO能譜圖(插圖為RGO照片);(c)RGO透射電鏡在照片;(d)CGO透射電鏡照片F(xiàn)ig.2(a)SEM image of RGO;(b)EDS spectrum of RGO,the inset is photograph of RGO;(c)TEM image of RGO;(d)TEM image of CGO.
3.2樣品結(jié)構(gòu)表征
由圖3(a)可以看出,經(jīng)高溫處理得到的石墨化炭TXC在2θ=26.5°附近出現(xiàn)非常尖銳的特征衍射峰,形成了非常明顯的晶體結(jié)構(gòu),芳香環(huán)碳網(wǎng)層片較大,層片堆砌高,與高純石墨的XRD圖譜基本一致,說明石墨化的程度非常高。由圖3(b)可知,TXC被強(qiáng)氧化劑氧化成CGO后,2θ=26.5°處TXC的特征峰基本消失,而在2θ=11°處出現(xiàn)新的特征衍射峰,表明有大量的含氧官能團(tuán)引入TXC層間。而利用CGO經(jīng)化學(xué)還原法合成的RGO樣品,沒有明顯的尖銳衍射峰,僅在2θ=26°附近存在一個(gè)峰型寬化的衍射峰,表明CGO在還原過程中,含氧官能團(tuán)逐漸脫落,原有的層間有序堆積結(jié)構(gòu)被破壞,得到由單層或少層石墨烯層片堆積、折疊而成的RGO[17]。
圖4為RGO和CGO的紅外光譜圖。從圖中可以看出,CGO在1 630 cm-1處出現(xiàn)了石墨烯晶體sp2結(jié)構(gòu)中的C==C的伸縮振動(dòng)峰,在1 740 cm-1處的吸收峰為氧化石墨烯羧基上C==O的伸縮振動(dòng)峰,而870 cm-1處出現(xiàn)的吸收峰為環(huán)氧基的振動(dòng)吸收峰,由以上可知,經(jīng)強(qiáng)氧化劑氧化得到的CGO表面含有豐富的羧基、羥基等官能團(tuán),這些含氧官能團(tuán)的存在可以使得CGO具有良好的親水性。通過化學(xué)還原得到的RGO宏觀體樣品,其紅外吸收峰與CGO相比,含氧官能團(tuán)的吸收峰在一定程度上減弱,表明經(jīng)化學(xué)還原后脫去了部分含氧官能團(tuán),此外,在1 562 cm-1處出現(xiàn)的吸收峰歸結(jié)為石墨烯片層的骨架振動(dòng)峰[18]。
圖3?。╝)TXC的XRD譜圖(插圖為石墨XRD譜圖);(b)RGO和CGO的XRD譜圖Fig.3 XRD pattern of TXC(the inset is XRD pattern of Graphite);(b)XRD patterns of RGO and CGO.
圖4 RGO和CGO的FT-IR光譜圖Fig.4 FT-IR spectra of RGO and CGO.
拉曼光譜是研究石墨烯基材料的有力手段,可用來區(qū)分有序和無序的碳晶體結(jié)構(gòu)[19]。碳質(zhì)材料的拉曼光譜中,在1 350 cm-1和1 580 cm-1處有兩個(gè)重要的特征峰,分別稱為D峰和G峰。其中D峰是由于碳質(zhì)材料內(nèi)部的無序或結(jié)構(gòu)缺陷誘發(fā)的,表示材料內(nèi)部的無序度和缺陷程度;G峰則主要反映石墨化程度。ID/IG表示D峰與G峰之間的相對(duì)強(qiáng)度,它可以反映出樣品的無序程度和缺陷密集度,其比值越大,說明碳質(zhì)材料晶型結(jié)構(gòu)的有序性越差,缺陷越多[20]。碳質(zhì)材料在2 700 cm-1附近還存在一個(gè)2D峰,它源于拉曼散射的谷間雙共振,一般用來判斷體相石墨與少層石墨(或石墨烯)之間的差異。IG/I2D定性地反應(yīng)了少層石墨碳質(zhì)材料中單層石墨烯的數(shù)目情況,IG/I2D的比值越小,表明石墨烯的層數(shù)越少[21]。從圖5可以看出,RGO中同時(shí)存在D峰和G峰,而且ID/IG值約為1.00,說明制備的RGO內(nèi)部無序度高,缺陷程度大。此外,在位于2 700 cm-1附近處,RGO也都出現(xiàn)了較弱且寬化的2D峰,其IG/I2D值均較大,表明制備的RGO的層數(shù)較多,這與圖2(b)觀察的RGO形貌一致。
圖5 RGO的拉曼光譜圖Fig.5 Raman spectrum of RGO.
3.3樣品的光催化還原CO2性能
在紫外光下分別以CGO、RGO為光催化劑,分別考察兩者對(duì)CO2光催化還原過程的催化活性,得到不同光催化劑下光催化反應(yīng)結(jié)果(圖6)。
圖6 不同催化劑下甲醇產(chǎn)率隨時(shí)間的變化Fig.6 Yield of methanol versus time for different photocatalysts.
從圖6可以看出,同一催化劑下,甲醇產(chǎn)率隨反應(yīng)時(shí)間的延長呈增加趨勢,這是因?yàn)镃O2的吸附是一個(gè)動(dòng)態(tài)積累過程,甲醇的產(chǎn)率也是一個(gè)動(dòng)態(tài)積累過程。以片層CGO為催化劑光催化還原CO2,甲醇的產(chǎn)率最高僅為5.34 μmol/g·cat。而以石墨烯宏觀體RGO為催化劑光催化還原CO2時(shí),在同樣條件下甲醇的產(chǎn)率最高可達(dá)65.91 μmol/g·cat。這是由于制得的RGO具有發(fā)達(dá)的三維網(wǎng)狀孔隙結(jié)構(gòu)和多片層狀結(jié)構(gòu),且尺寸分布在微米到亞微米范圍,反應(yīng)過程中RGO內(nèi)部可以吸收大量的CO2,延長了CO2氣體在反應(yīng)體系中的停留時(shí)間,有利于CO2氣體與催化劑及反應(yīng)介質(zhì)的充分接觸見圖7。
其次,RGO這種特殊的三維網(wǎng)絡(luò)孔隙在其內(nèi)部形成通暢的傳質(zhì)通道,為化學(xué)反應(yīng)提供良好的微環(huán)境以及快速電荷轉(zhuǎn)移的路徑,從而使RGO在光催化還原轉(zhuǎn)化CO2為甲醇過程中比CGO表現(xiàn)出更為良好的催化活性。此外,還原過程保留了一定的含氧官能團(tuán)和活性位點(diǎn),都有利于提高產(chǎn)物的光催化性能。
圖7 RGO制備及其光催化還原CO2機(jī)理Fig.7 CO2photocatalytic reaction mechanism using RGO as a photocatalyst.
以煤為原料制備煤基氧化石墨烯,通過化學(xué)還原及冷凍干燥進(jìn)一步合成了煤基石墨烯宏觀體,實(shí)現(xiàn)了煤炭資源的清潔利用。所制RGO具有發(fā)達(dá)的三維網(wǎng)狀孔隙結(jié)構(gòu)和多片層狀結(jié)構(gòu),這種特殊的三維網(wǎng)絡(luò)孔隙在其內(nèi)部形成通暢的傳質(zhì)通道,為化學(xué)反應(yīng)提供良好的微環(huán)境以及快速電荷轉(zhuǎn)移的路徑,從而使RGO在光催化還原CO2為甲醇過程中表現(xiàn)出良好的催化活性,其產(chǎn)物甲醇的產(chǎn)率是以層片CGO為光催化劑時(shí)甲醇產(chǎn)率的12倍之多。
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Synthesis and photocatalytic CO2reduction activity of a coal-based graphene assembly
ZHANG Ya-ting1,LI Ke-ke1,LIU Guo-yang1,ZHOU An-ning1,WANG Lu1,QIU Jie-shan2
(1.College of Chemistry and Chemical Engineering,Xi’an University of Science and Technology,Xi’an710054,China;2.Carbon Research Laboratory,State Key Lab of Fine Chemicals,School of Chemical Engineering,Dalian University of Technology,Dalian116024,China)
A 3D graphene assembly was prepared by chemical reduction using coal-based graphene oxide as the raw material.The morphologies and structures of the samples were analyzed by SEM,TEM,F(xiàn)T-IR and Raman spectroscopy.Results show that the 3D graphene has a high catalytic activity for photocatalytic CO2reduction in a fixed bed reactor and the yield of the target product,methanol,is up to 65.91 mol/g of catalyst.
Coal;3D graphene;Photocatalysis;Carbon dioxide
National Natural Science Foundation of China(21276207,U1203292).
ZHOU An-ning,Professor.E-mail:13609282106@139.com;QIU Jie-shan,Professor.E-mail:jqiu@dlut.edu.cn
introduction:ZHANG Ya-ting,Associate Professor.E-mail:isyating@163.com
TQ517.3
A
2015-10-26;
2015-12-02
國家自然科學(xué)基金(21276207,U1203292).
周安寧,教授.E-mail:13609282106@139.com;邱介山,教授.E-mail:jqiu@dlut.edu.cn
張亞婷,副教授.E-mail:isyating@163.com
1007-8827(2015)06-0539-06