[發(fā)明專利]一種MXene/Au光催化固氮材料、其制備方法及應(yīng)用

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011138821.3
• 申請(qǐng)日: 2020-10-22
• 公開（公告）號(hào): CN112191259B
• 公開（公告）日: 2022-09-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 常彬彬;石微微;何廣莉;楊保成
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 黃河科技學(xué)院
• 主分類號(hào): B01J27/22
• 分類號(hào): B01J27/22;B01J35/02;C01C1/04
• 代理公司: 鄭州聯(lián)科專利事務(wù)所(普通合伙) 41104
• 代理人: 張麗

本發(fā)明公開一種MXene/Au光催化固氮材料、其制備方法及應(yīng)用，其中，所MXene/Au光催化固氮材料的制備方法，步驟如下：（1）制備層狀Ti₃C₂材料，備用；（2）稱取層狀Ti₃C₂材料，在氫氣體積比為5~10%的N₂/H₂混合氣氛中180~220℃退火處理5~7h，即得r?Ti₃C₂；（3）將層狀Ti₃C₂或r?Ti₃C₂材料超聲均勻分散在水中，然后加入檸檬酸鈉包覆的Au球溶液或CTAB包覆的金球溶液，超聲分散均勻，旋蒸出溶劑，干燥，即得。本發(fā)明借助旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)，聯(lián)合溶劑動(dòng)力學(xué)驅(qū)動(dòng)法和表面電荷排斥/吸附原理，借助Au球的局域表面等離激元共振效應(yīng)來提高材料的光催化固氮效率。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光催化材料領(lǐng)域，具體涉及一種 MXene/Au光催化固氮材料、其制備方法及應(yīng)用。

背景技術(shù)

能源是人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的最基本的驅(qū)動(dòng)力，也是人類賴以生存的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。傳統(tǒng)化石燃料仍然占據(jù)著當(dāng)今能源供求體系的主導(dǎo)地位，然而隨著化石能源的日益枯竭，將嚴(yán)重制約世界經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，能源問題成為當(dāng)前人類面臨的主要難題之一。大力開發(fā)尋求綠色可再生的新能源成為世界各國研究的首要任務(wù)。氨作為一種典型的綠色可再生清潔能源，不僅是一種至關(guān)重要的化工原料，用于制造化肥、炸藥、醫(yī)藥、塑料等工業(yè)，而且氨是一種重要的儲(chǔ)能中間體和無碳能源載體。更為重要的是，氨提供了一種全新的能源市場(chǎng)，不會(huì)受到地域分布的限制，為其帶來獨(dú)特的市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)和機(jī)會(huì)。故而，氨成為綠色可持續(xù)清新能源領(lǐng)域前沿研究方向之一，解決了因地域因素導(dǎo)致的市場(chǎng)集中化及其引發(fā)的一系列潛在問題，有望作為最有前景的綠色清潔能源，緩解當(dāng)今世界經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展可持續(xù)對(duì)化石燃料過渡的依賴性。

當(dāng)前，工業(yè)上NH₃的生產(chǎn)仍采用的是傳統(tǒng)的Haber-Bosch工藝技術(shù)，該工藝是以鐵或釕基材料作為催化劑，使用高純度N₂和H₂氣流在高溫（300-550℃）和高壓（20-30 MPa）條件下實(shí)現(xiàn)。該NH₃生產(chǎn)工藝是高能耗的過程，制備條件比較苛刻，對(duì)生產(chǎn)設(shè)備要求較高，但仍舊支配著當(dāng)今工業(yè)合成氨的產(chǎn)業(yè)。因此，探索實(shí)現(xiàn)在常溫常壓下氮?dú)夂退母咝Х磻?yīng)合成氨，同時(shí)利用可持續(xù)的綠色清潔能源作為合成氨過程中驅(qū)動(dòng)能量的供給，將能夠徹底克服傳統(tǒng)的Haber-Bosch法合成氨工藝技術(shù)中所面臨的高能耗、高碳排放量及安全性等方面的問題，對(duì)于緩解能源危機(jī)、滿足日益增長的氨需求量具有重要的現(xiàn)實(shí)研究意義，將能夠給人類社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展以及人類生產(chǎn)、生活方式帶來巨大的變革和經(jīng)濟(jì)效益。光催化固氮利用太陽能作為能源驅(qū)動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)真正意義上化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)中碳的零排放，是一項(xiàng)清潔綠色可持續(xù)、高效率、高選擇性的氨合成工藝技術(shù)。

光催化劑材料的設(shè)計(jì)和構(gòu)筑是光催化合成氨技術(shù)工藝中的主導(dǎo)和核心。與傳統(tǒng)塊體納米材料相比，二維半導(dǎo)體納米片可以有效改善電子遷移率和表面能，從而保證有效的光吸收利用率和對(duì)目標(biāo)反應(yīng)物的吸附，進(jìn)而促進(jìn)界面催化反應(yīng)的發(fā)生，同時(shí)有利于光生電子快速地從材料內(nèi)部遷移至表面，確保體相電荷具有高的分離效率。因此，二維半導(dǎo)體納米片材料在光催化應(yīng)用中展現(xiàn)出無法替代的獨(dú)特優(yōu)越性。MXene作為一種新型二維層狀材料，具有優(yōu)異的物理性質(zhì)和化學(xué)特性，特別是其表面易于調(diào)控的豐富的末端基團(tuán)、獨(dú)特的形態(tài)結(jié)構(gòu)、優(yōu)越的光學(xué)吸收性能、可調(diào)的禁帶寬度以及其優(yōu)越的電子傳輸效率賦予MXene材料獨(dú)特的光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)和熱學(xué)等性能，鑒于MXene材料這些獨(dú)特的性質(zhì)，MXene材料應(yīng)該是極具前景的光催化劑材料。理論分析發(fā)現(xiàn)，表面-O終端基團(tuán)的存在會(huì)大大限制MXene材料表面對(duì)N₂的吸附能力，進(jìn)而影響其光催化固氮性能。此外，MXene材料的光催化性能讓受限于其層間堆垛、表面修飾官能團(tuán)復(fù)雜、光生載流子數(shù)量有限等問題，嚴(yán)重限制其光催化固氮的性能。