[发明专利]一种糖葫芦状凹凸棒石/氮化碳复合材料的制备方法及其在光固氮中的应用

说明书

本发明公开了一种糖葫芦状凹凸棒石/氮化碳复合材料的制备方法及其在光固氮中的应用。本发明先采用富氮前驱体制备得到石墨相氮化碳；然后利用硅烷偶联剂对凹凸棒石改性；将石墨相氮化碳和改性后的凹凸棒石为原料，制备得到糖葫芦状凹凸棒石/氮化碳复合材料(ATP/g‑C₃N₄)。将凹凸棒石/氮化碳复合材料用于光催化固氮中，能取得优异的光催化固氮效果。

技术领域

本发明属于光固氮技术领域，涉及到一种糖葫芦状凹凸棒石/氮化碳复合材料的制备方法及其在光固氮中的应用。

背景技术

氨是一种重要的化工原料和清洁能源载体，但因其具有较高活化势垒(941kJ/mol)的N≡N键而难以被利用。工业上广泛采用的Haber-Bosch工艺合成氨法需要高温高压等反应条件，并伴随着严重的污染问题。而为了克服这些问题，光催化固氮技术引起了广泛的关注，该过程反应条件温和，成本低，能耗低，利用太阳能在常温常压下将N₂和H₂O转化成氨。而对于光固氮催化剂的选择显得尤为的重要。

石墨相氮化碳(g-C₃N₄)是一种可调带隙的半导体，其稳定性好，原料价格便宜，不含贵金属的特点，而成为一种新型的光催化剂，近年来，g-C₃N₄显示了光催化固氮的新可能，氮空位能有选择地吸附和活化氮气分子，同时氮空位能捕获光生电子，促进光生电子空穴的分离，提高光催化固氮性能。而由于g-C₃N₄较小的比表面积使其在光催化领域的应用受到了限制。在本领域中，有关提高g-C₃N₄光催化固氮性能的研究，例如通过氧掺杂的方式，或者三元金属硫化物中的硫空穴和BiOBr中的氧空穴对光催化固氮性能也有着类似的促进作用，改进方法复杂，对设备要求高。凹凸棒石，一种天然的一维棒状硅酸盐粘土，是常见的催化剂载体，如何利用凹凸棒石来提高g-C₃N₄的光催化固氮性能，是本发明急需解决的技术问题。

发明内容

本发明旨在提供一种糖葫芦状凹凸棒石/氮化碳复合材料的制备方法及其在光催化固氮中的应用，所要解决的技术问题是遴选合适的原料及其制备工艺流程，通过构建糖葫芦状的凹凸棒石/氮化碳复合催化材料，抑制了氮化碳的团聚，同时增加了氮化碳的比表面积和活性位点，导致氮气更易被活化，进而提高了光催化固氮的活性。

本发明采用浸渍法制备糖葫芦状凹凸棒石/氮化碳复合材料，反应过程简单，原料便宜易得。本发明以改性凹凸棒石作为载体，该载体不产生电子空穴参与氧化还原反应，自身固氮效果甚微。但以凹凸棒石作为载体不仅可以抑制氮化碳的团聚，而且可以增加气体吸附活性位，提高光催化活性。另一方面，生成糖葫芦状结构的氮化碳不仅提高了吸收可见光谱宽度，而且增加了比表面积和氮空位来有选择性地吸附和活化氮气分子，同时增加了对于光生电子的捕获，促进光生电子-空穴的分离来进一步提高光固氮性能。

本发明还提供了一种上述凹凸棒石/氮化碳复合材料的制备方法：

凹凸棒石/氮化碳复合材料，以改性的凹凸棒石为载体，在改性的凹凸棒石上生长氮化碳后得到的复合材料(ATP/g-C₃N₄)，并将该复合材料用于光催化固氮。

具体步骤如下

(1)称取富氮前驱体，将其置于马弗炉中500-600℃下煅烧3-5h，待冷却至室温，将得到的产物研磨，即可得到石墨相氮化碳。

其中，富氮前驱体为三聚氰胺，双氰胺，尿素中的一种或几种。

(2)称取凹凸棒石分散至有机溶剂中，然后滴加硅烷偶联剂，60-100℃下反应1-3h，反应后抽滤，收集固体在60-70℃下烘干，得到改性凹凸棒石。