[发明专利]一种碳掺杂钼酸铋/凹凸棒石复合材料的制备方法及其在光催化固氮中的应用

说明书

本发明涉及光催化固氮复合材料技术领域，公开了一种碳掺杂钼酸铋/凹凸棒石复合材料的制备方法及其在光催化固氮中的应用。该材料以异氰酸酯(O＝C＝N‑R)，Bi(NO3)₃·5H₂O、Na₂MoO₄·2H₂O和凹凸棒石为原料，通过微波水热法使碳掺杂Bi₂MoO₆原位生长在凹凸棒石上，制得的复合材料具有较多的活性位点，更好的吸附性能，可用作N₂吸附和活化中心。将有效地提高电子和空穴的分离能力并且降低材料带隙。碳掺杂Bi₂MoO₆修饰的凹凸棒石两者间的协同作用将有效提高光催化性能，广泛应用于催化固氮领域，且能够取得较高的催化转换效率。

技术领域

本发明属于复合材料的制备领域，具体涉及一种碳掺杂的钼酸铋/凹凸棒石复合固氮光催化剂的应用及其制备方法。

背景技术

氨(NH₃)是大宗化工业品之一，将空气中的氮气(N₂)加氢还原合成氨工业在国民经济中占有重要地位。农业上使用的氮肥诸如：尿素、硝酸铵、磷酸铵、氯化铵以及各种含氮复合肥，以及碱(Na₂CO₃)都是以氨为原料。同时，所有生物体都需要氮元素来合成体内的蛋白质、核酸和其他生物分子。还原N₂在工业和生命体系占有重要地位。虽然N₂占地球空气的78％，如何活化解离N₂中极强的非极性N≡N共价三键，具有极大挑战。传统的Haber-Bosch工艺，反应条件苛刻(15-25MPa，300-550℃)，消耗大量的能源。因此，开发绿色可持续的固氮过程是一项具有挑战性和长期性的目标。其中，利用太阳能光催化技术将太阳能转化为化学能，为降低合成氨能耗提供了一种非常具有前景的方法。

近年来，钙钛矿型半导体在催化固氮领域的研究得到了进一步拓展。其独特层状结构，可以将氧化、还原反应位点从空间上分开，共角八面体组成的网络结构有利于载流子传输。钼酸铋(Bi₂MoO₆)作为一种奥里维里斯(Aurivillius)型氧化物，尽管具有氧化性强、环境友好等优点，但却有可见光利用率差、电荷分离效率低、光生载流子复合率高等诸多缺点。为克服这些缺点，中国专利CN108786838A提出了一种金属元素Co掺杂Bi₂MoO₆纳米结构用于增强催化性能；但由于金属的活泼性较高，导致催化剂稳定性较差。Adv.Mater.2017,29,1703828，报道了通过在二维层状阴离子型化合物-水滑石中引入氧空位，有效地吸附激活氮气，具有比较优异的光催化合成氨性能，矿物材料在催化固氮催化剂中，可用作催化剂载体和氮气吸附与活化中心，提升体系分散性和稳定性。除上述之外，还需深入研究，进一步得到Bi₂MoO₆领域的高效固氮新催化剂。

凹凸棒石作为天然矿物材料，具备较大的比表面积、较多的活性位点和独特的孔隙结构，因此，选择凹凸棒石为载体，制备碳掺杂Bi₂MoO₆，充分利用凹凸棒石与Bi₂MoO₆间的协同作用，提高复合材料中光生载流子的传输及可见光利用率，从而提高碳掺杂Bi₂MoO₆/凹凸棒石复合材料的光催化效率。

发明内容