[发明专利]镍(II)负载混合相硫化镉材料的制备及光催化活化饱和碳氢键的应用

说明书

本发明公开了一种镍(II)负载混合相硫化镉复合材料Ni(II)/CdS，是将硫化镉、氯化镍分别均匀分散在去离子水中，溶解后将两种溶液混合，是将硫化镉（CdS）、氯化镍（NiCl₂·6H₂O）分别均匀分散在去离子水中，溶解后将两种溶液混合，在40~80℃下搅拌反应0.5~3h，反应完成后用去离子水洗涤，干燥，即得目标产物Ni(II)/CdS。本发明通过Ni（II）对混晶CdS修饰后的Ni(II)/CdS具有优异的光催化性能，用于催化氧化甲苯成苯甲醛的反应，具有较高的催化速率（可达216.70μmolh^‑1g^‑1）和较高的甲苯转化率（可达8.8%），对甲苯中饱和C‑H（sp3）键活化的选择性较高（可达78.8%）。

技术领域

本发明涉及一种镍(II)负载混合相硫化镉复合材料Ni(II)/CdS的制备方法，主要用于光催化剂活化饱和碳氢键的反应中。

背景技术

选择性活化碳氢化合物中的饱和C-H（sp3）键生成高附加值的化学品对化学合成和转化具有重要的现实意义。然而，选择对环境友好的氧气作为氧源，对选择性氧化C-H键通常是非常难控制的。在热力学非均相催化中，往往涉及使用过渡金属颗粒和苛刻的反应条件（如高温和高压）。饱和碳-氢键（sp3）的选择性氧化在温和的条件下是化学合成工业方面的主要挑战。在工业中碳氢键（sp3）的氧化过程，由于饱和碳氢键的热力学能较强且动态惰性，通常需要高温、高压、有毒试剂以及重金属离子的参与。从绿色化学的角度出发，开发一种环境友好型的烷烃选择性氧化途径是很重要的。报道指出，在温和条件下，不同的半导体光催化作用于活化C-H键，使用价格低和含量丰富的氧作为氧源，从而降低了对环境的污染，符合一直以来倡导绿色化学这一理念。

已经有报道出，光催化剂半导体已经被应用于选择性催化氧化C-H键，例如BiOBr/TiO₂，Bi₂MoO₆-Bi₂Mo₃O₁₂， VO@g-C₃N₄，CdS/TiO₂，W₁₅O₁₉，CdS等。硫化镉（CdS）在光催化研究中广泛应用于光催化材料，而带隙（2.4 eV）比其他光催化材料要小得多。CdS也有一些作为光催化材料的优势，比如可见光响应（λ>420nm），价格便宜和容易制备。基于CdS的研究常常作为基础的研究。然而，纯的CdS也存在高电荷载体复合率和光腐蚀性等缺点，导致了它相对较差的光催化活性。因此，可以改善CdS的电子-空穴对的高复合率，以增强光催化活性，例如负载助催化剂，与其他催化剂的复合和构成异质结等。据报道，CdS适合选择性催化C-H键的反应。例如，徐艺军的课题组已经报道了利用CdS半导体催化剂应用在选择性催化甲苯合成苯甲醛的研究中，反应时间为40h，甲苯的转化率达到了66%，李朝晖的课题组也报道了BiOBr/TiO₂选择性催化甲苯的研究工作，反应时间4h，在可见光照射下，甲苯的转化率只有0.12%。这两种催化剂氧化甲苯成苯甲醛的速率低，反应时间长，效率低，而且甲苯的转化率低。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术氧化甲苯成苯甲醛使用的催化剂存在的问题，提供一种制备工艺简单、光催化活性高的Ni(II)/CdS复合材料，主要用于光催化活化饱和碳氢键（氧化甲苯）的反应中。

一、Ni(II)/CdS的制备

将硫化镉（CdS）、氯化镍（NiCl₂·6H₂O）分别均匀分散在去离子水中，溶解后将两种溶液混合，在60~80℃下搅拌反应1~3h，反应液用去离子水洗涤，干燥，即得目标产物Ni(II)/CdS。

其中硫化镉与氯化镍的质量比为1:0.02~1:0.2，其对应的产物Ni(II)/CdS中，Ni(II)的质量百分数为0.5~5.0%。