[發(fā)明專利]一種富含亞銅離子的鋅鋁水滑石及其制備方法和應用

有效

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• 申請日: 2019-08-07
• 公開（公告）號: CN110372030B
• 公開（公告）日: 2022-11-18
• 發(fā)明（設計）人: 張鐵銳;張帥;趙運宣;施潤;周超
• 申請（專利權）人: 中國科學院理化技術研究所
• 主分類號: C01G9/00
• 分類號: C01G9/00;C01C1/02;B01J27/232
• 代理公司: 北京正理專利代理有限公司 11257
• 代理人: 趙曉丹

本發(fā)明提供了一種富含亞銅離子的鋅鋁水滑石，亞銅離子的含量為0.14％～1.5％。該鋅鋁水滑石的晶胞為高活性亞銅離子提供了理想的載體，提高了亞銅離子在材料中的穩(wěn)定性，且鋅鋁水滑石的層板配位作用能夠為亞銅離子催化作用的實現(xiàn)提供了基礎。本發(fā)明首次實現(xiàn)了將該富含亞銅離子的鋅鋁水滑石應用于光催化氮氣加水制備氨，且合成氨的速率比傳統(tǒng)的催化劑高得多。此外，本發(fā)明提供的富含亞銅離子的鋅鋁水滑石的合成成本低，操作簡便，易于大規(guī)模生產(chǎn)，合成氨的產(chǎn)量高，具有大規(guī)模應用的潛力。

技術領域

本發(fā)明涉及新材料技術領域。更具體地，涉及一種富含亞銅離子的鋅鋁水滑石及其制備方法和應用。

背景技術

氨(NH3)是重要的無機化工產(chǎn)品之一，在工業(yè)化學合成中起到關鍵作用。世界每年工業(yè)合成氨產(chǎn)量已到達2億噸以上，其中約有80％的工業(yè)合成氨用于合成化學肥料，農(nóng)業(yè)中使用的氮肥(例如尿素，硝酸銨等)都是以氨為原料制備而成。此外，氨分子具有高能量密度和高含氫量，可以被壓縮成為液體燃料，非常便于存儲和運輸。同時，自然界中的固氮酶可以將空氣中的氮氣“固定”合成氨，供應給地球上的生物體來構建各種各樣的生物分子，例如蛋白質(zhì)、核酸等。雖然地球空氣中的主要成分是氮氣(體積占比約78％)，但氮氣分子具有化學性質(zhì)極其穩(wěn)定的非極性N-N共價三鍵，高電離能，負電子親和力等，很難將其直接轉(zhuǎn)化為氨。在人工合成氨的Haber-Bosch工藝中，氮氣和氫氣在嚴苛的反應條件(15-25MPa，400-500℃)和金屬催化劑的作用下直接反應合成氨。然而這個反應過程需要消耗大量的能源(生產(chǎn)每噸氨需消耗35-50GJ能量)，約占世界能源供應的2％，同時排放2.3噸的二氧化碳和一氧化碳。除了用于驅(qū)動反應所消耗的化石燃料能源，用于氨合成的原料氫氣主要來自甲烷重整以及水煤氣變換反應，其占世界年度天然氣產(chǎn)量的3-5％，同樣也釋放了大量的二氧化碳，據(jù)估計全球人為排放二氧化碳總量的1.5％是由Haber-Bosch反應工藝所“貢獻”的。作為減少二氧化碳排放和減緩全球變暖速度的一種手段，研究人員正在積極尋求新穎的、可持續(xù)性的氨合成技術。利用太陽能光催化技術將太陽能轉(zhuǎn)化為化學能，已被認為是未來可再生能源利用的最佳途徑之一。在光催化合成氨技術中，太陽光和半導體光催化劑用于將N2還原為NH3，代表了一種非常有前景的、可持續(xù)性的氨合成的途徑。但是如何找到一種合適的光催化劑來催化合成氨反應的進行，成為實現(xiàn)氮氣加水制備氨大規(guī)模應用的關鍵。

層狀雙金屬氫氧化物，俗稱水滑石，是一類新興的二維光催化材料。水滑石由邊緣共享MO6八面體組成的層板以及層間帶負電荷的陰離子組成。層板通常含有二價和三價金屬陽離子(例如鎂離子、鎳離子、鈷離子、銅離子、鋁離子、鉻離子、鐵離子等)，而層間保持電中性的陰離子通常是碳酸根、硝酸根、硫酸根、氯離子等。水滑石材料具有組成可調(diào)變性(層板陽離子和層間陰離子可以調(diào)變)、形貌可控、制備簡單、成本低等優(yōu)點，在催化、載體和功能材料方面有諸多應用。

低價態(tài)的過渡金屬離子由于其特殊的電子結構，具有催化應用潛力，但其穩(wěn)定性較差，易發(fā)生歧化反應，生成高價金屬離子和金屬單質(zhì)，使其應用受到了很大的限制。因此如何提高低價態(tài)過渡金屬離子的存在穩(wěn)定性成為亟待解決的問題。

因此，需要提供一種能夠在水中穩(wěn)定存在的亞銅離子化合物，且能夠催化氮氣加水制備氨反應的進行至關重要。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明第一個方面提供一種富含亞銅離子的鋅鋁水滑石，該鋅鋁水滑石具有豐富的缺陷結構為高活性亞銅離子的穩(wěn)定存在提供了條件，水滑石中亞銅離子的含量可達到0.14％-1.5％。

本發(fā)明第二個方面提供上述富含亞銅離子的鋅鋁水滑石的制備方法。

本發(fā)明第三個方面提供上述富含亞銅離子的鋅鋁水滑石作為光催化劑在光催化氮氣加水制備氨的應用。

為達到一個發(fā)明目的，本發(fā)明才用了下述技術方案：

一種富含亞銅離子的鋅鋁水滑石，其中亞銅離子的含量為0.14％-1.5％。