本技术介绍了一种结合氧缺陷和Brønsted酸位点的金属氧化物材料及其制备和应用技术。通过溶剂热法,我们实现了金属氧化物中金属位点的部分还原,创建氧缺陷,并在其表面形成Brønsted酸位点。该材料展现出优异的催化性能,适用于多种化学反应。
背景技术
过氧化氢是一种重要的化学试剂和工业产品,在很多领域都有广泛的应用。过氧化氢是一种无色液体,具有强氧化性和弱酸性,常被用作漂白剂、化工原料、消毒剂及净水剂等。在废水处理和污染治理种,过氧化氢作为强氧化剂能够降解水体中有机污染物,且其本身副产物仅为水,是一种绿色环保的氧化剂。全球对过氧化氢的需求量正稳步增长,主要集中在环境友好型技术的应用、对清洁及消毒需求的增加,以及在电子、造纸和水处理等行业中的广泛用途。
目前,全球范围内约95%以上的过氧化氢是通过蒽醌法产生的,蒽醌法利用蒽醌分子作为循环载体,通过催化氢化和氧化反应生成过氧化氢。在该过程中,蒽醌分子可以多次循环使用且化学反应选择性高,且生成的过氧化氢产纯度较高,适合多种工业应用。然而,蒽醌法能源消耗较大、设备成本高且操作复杂。该方法中的氢化和氧化过程需要高温高压且涉及到氢气的使用,同时该方法工艺过程需要严格控制反应条件,技术要求高。在全球对气候变暖及能源短缺日益关注的背景下,迫切需要开发一种绿色、高效且可持续的过氧化氢生产技术。
太阳能是一种清洁能源,也是地球能源的主要输入来源。直接开发和利用可再生的太阳能,不仅能够有效满足能源需求,还可以避免因化石能源过度使用而引发的可持续性发展挑战及环境问题。基于光催化的过氧化氢生成技术是一种以半导体光催化剂为媒介,氧气和水为原料,太阳能为能量来源的绿色可持续过氧化氢生成技术。该技术不仅克服了蒽醌法能耗高、风险高且操作复杂等局限,而且实现了过氧化氢的原位生产,便于其原位利用。然而,目前光催化过氧化氢生成效率较低,不能满足常规应用需求量,例如有机污染物降解。限制该方法高生成效率的主要原因在于其半导体光催化剂缺少合适的氧气活化活性位点及被抑制的过氧化氢中间体质子化过程,因而导致光催化过氧化氢产量较低。
基于以上背景,如何设计开发一种高效半导体催化剂,其具有高效活化氧气的活性位点且能够促进过氧化氢中间体质子化的活性位点,是实现高效光催化过氧化氢生成的关键。该催化剂材料的设计与合成方法的开发将产生重大能源及环境意义,同时具有巨大商业化前景。
实现思路