[發明專利]一種光催化固氮合成氨的Pickering微泡體系構建方法及應用

有效

• 申請號: 202010519284.0
• 申請日: 2020-06-09
• 公開（公告）號: CN111704146B
• 公開（公告）日: 2021-12-31
• 發明（設計）人: 楊恒權;劉憲;薛楠
• 申請（專利權）人: 山西大學
• 主分類號: C01C1/04
• 分類號: C01C1/04;B01J23/42;B01J31/02;B01J27/24;B01J27/051
• 代理公司: 太原申立德知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 14115
• 代理人: 郭海燕

本發明屬于光催化固氮合成氨領域，具體涉及一種光催化固氮合成氨的Pickering微泡體系構建方法及應用。本發明Pickering微泡體系是由雙親性Pickering固體光催化劑作為乳化劑，在氣?水界面自發組裝，形成的水包N₂微泡體系。利用該體系進行光催化固氮合成氨反應，其固氮效率相對于傳統氣?液兩相反應可提升5～40％；氨的選擇性可提高10～50％。

技術領域

本發明屬于光催化固氮合成氨領域，具體涉及一種光催化固氮合成氨的Pickering微泡體系構建方法及應用。

背景技術

氨是化肥生產和纖維制造領域重要的基礎化工原料，也是一種潛在的能源載體。目前工業合成氨需要在高溫(500℃)高壓(20-50MPa)條件下進行，此過程能耗大，成本高，污染嚴重且危險。因此，迫切需要尋找一種綠色清潔、可持續合成氨的方法，特別是尋找在自然環境下利用可再生能源合成氨的方法。近年來，光電催化固氮技術受到廣泛關注，該技術在常溫常壓下以氮氣和水為原料，利用可再生太陽能合成氨和氧氣，為開發新型綠色合成氨工藝提供了新希望。

氮分子是一種穩定性極高的單質，其三鍵鍵能為94l KJ mol^-1，惰性大，不易活化。研究者們嘗試用不同方法還原氮，如加氫催化法、熱化學法、光化學法和電化學法等。雖然這些方法都可以不同程度還原氮，但固氮效率仍然比較低，而且選擇性較差。其主要原有：(1)固氮合成氨是N₂與光生電子以及質子逐步結合的過程(N₂+6H⁺+6e^-→2NH₃)，而氫還原是光生電子與質子結合的過程(2H⁺+2e^-→H₂)，在進行固氮反應的同時會發生嚴重的析氫競爭反應，導致固氮氨合氨的效率和選擇性大大降低。(2)在水溶液中進行固氮合成氨，還面臨著N₂在水中的溶解度低，與催化劑接觸困難的問題，導致固氮效率降低。

發明內容

針對現有技術中水溶液體系光催化N₂還原效率低、目標產物選擇性差的問題，本發明提供了

為了達到上述目的，本發明采用了下列技術方案：

一種光催化固氮合成氨的Pickering微泡體系構建方法，包括以下步驟：

步驟1，雙親性Pickering光催化劑的制備：通過親水性或疏水性基團對載體材料表面進行修飾，獲得雙親性催化劑載體，然后采用化學法或物理法將光催化劑負載于雙親性催化劑載體上，形成雙親性Pickering光催化劑；

步驟2，Pickering微泡體系構建：將雙親性Pickering光催化劑加入到含有去離子水的密閉透光反應器，充入N₂氣體并維持體系壓力，攪拌形成水包N₂型Pickering微泡體系。

進一步，所述親水性基團包括：－OH、－N⁺(CH₃)₃Cl^-、－SO₃^2-、－COOH中的一種或幾種；所述疏水性基團包括：疏水性硅烷、疏水性硅脂、氨基硅酯中一種或兩種。

進一步，所述載體材料包括多孔性SiO₂微球、多孔碳材料、石墨烯、石墨炔、金屬有機框架材料(MOF)、沸石分子篩中的一種或幾種。

進一步，所述化學法包括：溶膠凝膠法，光還原法、水熱法、化學還原法、化學鍵合法；所述物理法包括：靜電自組裝法、吸附法。

進一步，所述的光催化劑主要包括：TiO₂、C₃N₄、Ag₃PO₄、BiOCl、MoS₂、Ag、Au、Cu、Pt、Pd中的一種或幾種組合。