[发明专利]一种单层氮化碳复合铁酸锌Z型催化剂的制备方法及其固氮应用

说明书

本发明属于光催化材料合成技术领域，涉及光响应型催化剂，特别涉及石墨型氮化碳（g‑C₃N₄）的单层改性，并与铁酸锌（ZnFe₂O₄）复合形成一种单层氮化碳复合铁酸锌Z型催化剂的制备方法。本发明以二氰二胺为反应原料，通过加热分解法制备石墨型氮化碳（g‑C₃N₄）；然后超声剥离，改性制备单层石墨型氮化碳（SL g‑C₃N₄）；再将Zn(NO₃)₂•6H₂O和Fe(NO₃)₃•9H₂O按照反应比例添加到SL g‑C₃N₄的超声分散液中，水热反应制备可见光响应型Z型SL g‑C₃N₄/ZnFe₂O₄复合催化剂。本发明还公开了所制备的催化剂在可见光照射件下实现光催化固氮产氨。实验结果表明，本发明所制备的催化剂具有较好的光催化固氮产氨性能，且操作简单，具有节能环保的优点，在光催化绿色合成氨方面具有很大的开发与应用前景。

技术领域

本发明属于光催化材料合成技术领域，涉及光响应型催化剂，特别涉及石墨型氮化碳（g-C₃N₄）的单层改性，并与铁酸锌（ZnFe₂O₄）复合形成一种单层氮化碳复合铁酸锌Z型催化剂的制备方法及其固氮应用。

背景技术

近几十年来，光催化技术的发展引起了人们越来越多的关注。在光催化降解有机污染物、产氢、二氧化碳还原、杀菌及固氮等诸多应用领域中，光催化固氮是当前光催化技术领域研究的热点。光催化固氮产氨作为一种绿色的氨合成技术，可同时解决环境（低CO₂排放）和能源（产氨）问题。相对于常规催化剂二氧化钛，非金属半导体石墨型氮化碳（g-C₃N₄）具有一个可以吸收可见光的适中带隙宽度（2.7 eV），而且具有相当突出的耐热和耐化学等性能，因而在诸多光催化研究领域中受到广泛关注。

Applied Catalysis B: Environmental 160–161 (2014) 89–97,报道了通过溶剂热法利用Bi₂MoO₆改性g-C₃N₄形成异质结结构，其可见光照射下光催化活性相对于单一g-C₃N₄提高3倍以上；但该研究所制备的复合光催化剂电子转移机制为涉及Z型转移路线。

Applied Catalysis B: Environmental 202 (2017) 489–499，报道了通过控通过水热一步法制备了C-TiO₂/g-C₃N₄纳米复合光催化剂。结果表明，所制备纳米复合催化剂由于异质结结构的行程有效提高了空穴-电子的分离效率；但是该研究所涉及的转移机制以C为电子转移中间体，仍未涉及全固态Z型转移路线。

材料工程,2018, 9(46):39-45, 报道了通过煅烧处理和沉淀反应合成以Ag纳米粒子为电子媒介的Z-型光催化剂Ag₂CO₃/Ag/ g-C₃N₄，并考察其光催化降解RhB性能。结果表明，由于Ag纳米粒子表面离子共振效应，Z-型异质结构扩展了可见光吸收波长范围（从450到670 nm），Ag₂CO₃/Ag/g-C₃N₄样品显示出比纯Ag₂CO₃和g-C₃N₄更强的光催化活性。但未涉及g-C₃N₄的形貌控制，且未涉及还原固氮研究。