[發明專利]一種復合光催化劑及其應用

有效

• 申請號: 201710562701.8
• 申請日: 2017-07-11
• 公開（公告）號: CN109225222B
• 公開（公告）日: 2021-03-16
• 發明（設計）人: 王文中;孫祥;張玲
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海硅酸鹽研究所
• 主分類號: B01J23/75
• 分類號: B01J23/75;B01J27/24;C01C1/04
• 代理公司: 上海瀚橋專利代理事務所(普通合伙) 31261
• 代理人: 曹芳玲;鄭優麗

本發明涉及一種復合光催化劑及其應用，所述復合光催化劑包括：N₂活化助催化劑、光生空穴捕獲助催化劑以及作為載體并提供光生載流子的光催化劑；所述N₂活化助催化劑為堿土金屬氧化物；所述光生空穴捕獲助催化劑為CoO_x或NiO_x，其中1≤x≤1.33；所述作為載體并提供光生載流子的光催化劑為TiO₂或/和g?C₃N₄。本發明制備高活性光催化合成氨材料并構建溫和、低能耗的光催化合成氨體系具有巨大的科學價值與現實意義。

技術領域

本發明屬于人工固氮合成氨領域，涉及一種復合光催化劑及其應用，適用于環境、能源、材料等領域。

背景技術

固氮是自然界中僅次于光合作用的第二重要的化學過程，人們一直期望得到像固氮酶那樣的化學固氮體系，使大氣中的氮氣和水在常溫常壓下轉變成氨。理論上，合成氨反應是一個熱力學上不能自發進行的反應，氮氣分子三鍵鍵能941KJ mol^-1，第一電離勢15.58eV，具有非常高的穩定性，其三鍵鍵能是所有同核雙原子分子中最大的，難以實現如固氮酶那樣在常溫常壓下將N₂和H₂O轉化成氨。目前合成氨工業化生產仍基于高溫、高壓的反應條件。工業上應用的合成氨工藝是Haber-Bosch法(N₂+3H₂→2NH₃)，該法使用以鐵為主體的多成分催化劑，在500℃左右和20-50MPa條件下發生?；瘜W固氮有效的解決了生物固氮的不足，但是對設備和動力的要求比較苛刻，整個過程能耗大。特別是通過烴的水蒸氣重整得到氫氣過程中，大量的CO₂作為副產物排放入大氣，增加了環境負擔。其次，盡管釕基催化劑的研發作為第二代合成氨催化劑，但仍需要高溫(大于300℃)降低活化氮氣的能壘。從合成氨反應中質子源選取角度而言，上述的高溫催化劑只能與H₂相匹配。顯然，相比H₂，H₂O作為無污染、廉價易得的質子載體更適合于實現低能耗、無二次污染的合成氨反應。但是，H₂O分子的催化解離并實現同N₂結合的質子轉移過程，仍是制約實現這一反應的瓶頸。

近年來，采用光催化法合成氨開始出現一些報道，但是所選用的催化劑多為金屬-金屬氧化物或金屬氧化物負載貴金屬，而且氨的產率偏低，因此也沒有實現其應用。其不足主要體現在：1.需要調控半導體光催化材料的能帶位置，提高對光的利用率和光生載流子的遷移效率，使遷移到表面的表面電子/空穴具有更強的氧化還原性；2.需要構建光催化材料表面的N₂活化位點，并保證其穩定性；3.N₂還原產物的生成需要配合H⁺離子或質子的轉移，一般光催化體系則選擇有機犧牲劑提供H⁺離子或質子的供體，然而從應用角度而言，犧牲劑或溶劑增加反應成本并帶來“三廢”排放及治理等新問題。

發明內容

針對上述問題，本發明的目的在于提供一種高活性光催化合成氨的催化劑以及構建室溫常壓、太陽能驅動的光催化合成氨體系。

一方面，本發明提供了一種復合光催化劑，包括：N₂活化助催化劑、光生空穴捕獲助催化劑以及作為載體并提供光生載流子的光催化劑；

所述N₂活化助催化劑為堿土金屬氧化物；

所述光生空穴捕獲助催化劑為CoO_x或NiO_x，其中1≤x≤1.33；

所述作為載體并提供光生載流子的光催化劑為TiO₂或/和g-C₃N₄。