[发明专利]一种用于光催化CH4

说明书

本发明公开了一种光催化CH₄与O₂反应生成有机化学品的方法，属于先进材料化学技术领域。所用催化剂是具有精确纳米结构的Ni纳米簇。本发明利用了Ni纳米簇的特殊的能级结构，利用光能将CH₄和O₂选择性地转化为有机化学品，有选择性好、反应条件温和、产物和催化剂易分离、便于回收利用、易活化等优点，具有良好的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种镍催化剂在甲烷转化中的应用，特别是涉及将镍催化剂用于甲烷与氧气光催化转化的应用，属于先进材料化学技术领域。

背景技术

天然气是重要的化石燃料，其主要成分为甲烷，伴随着勘探技术的突破，全球天然气储量持续增加。由于其成本相对较低，热值高，产物无污染，所以作为燃料在日常生活、新型发电厂和工业生产中得到了广泛的应用。而除了用作燃料，将天然气中的甲烷作为化工原料直接生产高附加值化学品，是直接有效和前景广阔的天然气利用方法。但甲烷结构极为稳定，碳氢键键能高、极性弱、溶解度小，如何高选择性的转化甲烷制有机化学品一直是化学领域的重大挑战。到目前为止甲烷的直接转化反应一般需要使用贵金属(铂、钯等)做催化剂，以及高温等剧烈条件。所以发展一种高效、高选择性、廉价、温和的催化转化方式，进而实现工业生产对于绿色环保和成本控制的要求，是化学家们不断探寻的方向。

金属纳米簇通常由几个至几百个金属原子组成，处于亚纳米尺寸范围，具有极高的比表面积和量子尺寸效应。因其确定的原子数目和精确的结构，而拥有独特的电子结构、能级结构。这些特点使得金属纳米簇在催化过程中往往能实现区别于传统纳米催化剂的特殊选择性，金属簇的精确结构也为在原子精度上探究催化机理提供了桥梁和手段。

由于尺寸极小，与块状金属的连续能带不同，金属纳米簇具有类似分子的能级结构，这使得金属纳米簇可以吸收特定波段的光子，产生光生电子和空穴，在温和的条件下催化化学反应的进行。关于金属纳米簇的光催化反应已经多有报道，常见的仍是金、银等贵金属簇的运用，在光照下可以实现对污染物的降解和特定有机物的选择性合成，但催化剂极为昂贵。而成本较低的镍纳米簇同样具有明显的紫外-可见光谱特征峰，如果能利用镍纳米簇对紫外光、可见光的吸收转化，实现用氧气直接对甲烷选择性转化，那么将显著地降低成本，为进一步的生产应用研究降低门槛。并且纳米簇光催化所需的温度条件温和、选择性高，故研究镍纳米簇光催化甲烷和氧气反应直接转化为有机化学品具有重要意义。

发明内容

本发明解决的技术问题是：本发明提供一种光催化CH₄与O₂反应生成甲醇、甲酸的方法，以镍纳米簇为催化剂，在光照下以温和的温度条件转化CH₄为有机化学品。本发明将具有精确结构的Ni₄、Ni₅、Ni₆纳米簇用于光催化，利用Ni 纳米簇特有的能级结构吸收转化光能，打破甲烷分子中极为稳定的碳氢键，高效地以氧气为氧化剂将甲烷转化为有机化学品。

为解决上述技术问题，本发明在光辅助的条件下，将Ni₄、Ni₅、Ni₆纳米簇催化剂催化CH₄和O₂反应制备有机化学品的实施方法，包括步骤：

1)Ni₄、Ni₅、Ni₆纳米簇催化剂的制备

将镍源与表面活性剂溶解于溶剂中，制备成溶液A；

在溶液A中添加硫醇，硫醇与镍的物质的量的比为5:1，并加入硼氢化钠溶液进行还原,硼氢化钠与镍的物质的量的比为15：2，还原生成Ni₄、Ni₅、Ni₆纳米簇混合物；