煤炭科学技术

作者：杨娟, 单启月, 戴俊, 张鸽, 丰之翔,

关键词：低浓度瓦斯, 甲醇, 可见光催化, Z型异质结, 复合催化剂,

因缺乏合理有效的利用途径，大量低浓度瓦斯（C_\rmC\rmH_\rm4 < 30%）被直接排放，研究开发低浓度瓦斯高值转化利用方法和技术对保障煤矿安全生产与减缓温室效应具有重要意义，也是实现我国“双碳”战略目标必不可缺少的部分。以低浓度瓦斯为碳源制取液体燃料甲醇被认为是其理想的利用途径之一，以清洁太阳能为驱动力的光催化技术可在室温常压下活化转化甲烷，为低浓度瓦斯低碳利用提供新途径。首先采用水热法制备AgVO3，以硫代乙酰胺为硫源，通过阴离子交换策略在AgVO3表面原位复合Ag2S，构筑出Ag2S/AgVO3异质结，改变硫代乙酰胺的用量可调控Ag2S复合比例。利用XRD、SEM、TEM和紫外可见漫反射光谱等对复合催化剂的微观结构进行表征分析，以体积比为1∶12的甲烷/空气混合物模拟低浓度瓦斯，系统研究了Ag2S复合比例、氧化剂用量、光照强度等对甲烷转化、甲醇产生及其选择性的影响规律，借助瞬态光电流响应谱和电子顺磁共振谱（EPR）探究了Z型异质结构Ag2S/AgVO3对增强模拟瓦斯转化性能的内在机理。研究结果表明：所制AgVO3呈纤维状形貌，其晶相结构为单斜相，原位复合的Ag2S呈纳米颗粒形态，其平均粒径为60 nm，且Ag2S颗粒均匀分布于AgVO3纤维表面。与单一AgVO3和Ag2S相比，复合材料Ag2S/AgVO3具有更强的光吸收性能，AgVO3的带隙能、价带与导带电势分别为2.08 eV、2.21 V和0.13 V，Ag2S的带隙能、价带与导带电势分别为0.91 eV、0.34 V和−0.57 V。与AgVO3相比，复合催化剂Ag2S/AgVO3具有显著增强的瓦斯转化性能，可见光照射1 h最优催化剂20% Ag2S/AgVO3的甲烷转化和甲醇产生量为3.10 mmol/g和2.45 mmol/g，分别为单一AgVO3的1.72倍与2.63倍，且其甲醇选择性高达78.9%；6次循环试验结果表明：Ag2S/AgVO3具有优异的催化稳定性。能带结构分析与EPR测试结果表明：Ag2S/AgVO3异质结遵循Z型电荷迁移机制，这不仅增强了光生电荷的空间分离，同时使其具有较强的氧化/还原能力，显著提升低浓度瓦斯定向转化制取甲醇的催化性能，为低浓度瓦斯低碳高效利用提供新思路。

来源：2024年第4期

《煤炭科学技术》期刊编辑部

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