[发明专利]一种光催化固氮合成氨的Pickering微泡体系构建方法及应用

说明书

本发明属于光催化固氮合成氨领域，具体涉及一种光催化固氮合成氨的Pickering微泡体系构建方法及应用。本发明Pickering微泡体系是由双亲性Pickering固体光催化剂作为乳化剂，在气‑水界面自发组装，形成的水包N₂微泡体系。利用该体系进行光催化固氮合成氨反应，其固氮效率相对于传统气‑液两相反应可提升5～40％；氨的选择性可提高10～50％。

技术领域

本发明属于光催化固氮合成氨领域，具体涉及一种光催化固氮合成氨的Pickering微泡体系构建方法及应用。

背景技术

氨是化肥生产和纤维制造领域重要的基础化工原料，也是一种潜在的能源载体。目前工业合成氨需要在高温(500℃)高压(20-50MPa)条件下进行，此过程能耗大，成本高，污染严重且危险。因此，迫切需要寻找一种绿色清洁、可持续合成氨的方法，特别是寻找在自然环境下利用可再生能源合成氨的方法。近年来，光电催化固氮技术受到广泛关注，该技术在常温常压下以氮气和水为原料，利用可再生太阳能合成氨和氧气，为开发新型绿色合成氨工艺提供了新希望。

氮分子是一种稳定性极高的单质，其三键键能为94l KJ mol^-1，惰性大，不易活化。研究者们尝试用不同方法还原氮，如加氢催化法、热化学法、光化学法和电化学法等。虽然这些方法都可以不同程度还原氮，但固氮效率仍然比较低，而且选择性较差。其主要原有：(1)固氮合成氨是N₂与光生电子以及质子逐步结合的过程(N₂+6H⁺+6e^-→2NH₃)，而氢还原是光生电子与质子结合的过程(2H⁺+2e^-→H₂)，在进行固氮反应的同时会发生严重的析氢竞争反应，导致固氮氨合氨的效率和选择性大大降低。(2)在水溶液中进行固氮合成氨，还面临着N₂在水中的溶解度低，与催化剂接触困难的问题，导致固氮效率降低。

发明内容

针对现有技术中水溶液体系光催化N₂还原效率低、目标产物选择性差的问题，本发明提供了

为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：

一种光催化固氮合成氨的Pickering微泡体系构建方法，包括以下步骤：

步骤1，双亲性Pickering光催化剂的制备：通过亲水性或疏水性基团对载体材料表面进行修饰，获得双亲性催化剂载体，然后采用化学法或物理法将光催化剂负载于双亲性催化剂载体上，形成双亲性Pickering光催化剂；

步骤2，Pickering微泡体系构建：将双亲性Pickering光催化剂加入到含有去离子水的密闭透光反应器，充入N₂气体并维持体系压力，搅拌形成水包N₂型Pickering微泡体系。

进一步，所述亲水性基团包括：－OH、－N⁺(CH₃)₃Cl^-、－SO₃^2-、－COOH中的一种或几种；所述疏水性基团包括：疏水性硅烷、疏水性硅脂、氨基硅酯中一种或两种。

进一步，所述载体材料包括多孔性SiO₂微球、多孔碳材料、石墨烯、石墨炔、金属有机框架材料(MOF)、沸石分子筛中的一种或几种。

进一步，所述化学法包括：溶胶凝胶法，光还原法、水热法、化学还原法、化学键合法；所述物理法包括：静电自组装法、吸附法。

进一步，所述的光催化剂主要包括：TiO₂、C₃N₄、Ag₃PO₄、BiOCl、MoS₂、Ag、Au、Cu、Pt、Pd中的一种或几种组合。