[发明专利]含氮缺陷结构Z型氮化碳-氧化铁催化剂的制备方法及应用

说明书

本发明为含氮缺陷结构Z型氮化碳‑氧化铁催化剂的制备方法及应用，属于光催化材料合成技术领域，涉及含氮缺陷结构石墨型氮化碳（g‑C₃N_x）的改性，并复合氧化铁（Fe₂O₃）制备一种含氮缺陷结构Z型氮化碳‑氧化铁光催化剂（g‑C₃N_x/Fe₂O₃），包括：以尿素、三聚氰胺或硫脲为氮化碳前驱体；以氨水、氢氧化钠、氢氧化钾或氢氧化钡等碱为辅料；以草酸铁、草酸亚铁及硫酸亚铁等为铁源，经一步焙烧法250～650℃加热2～8 h经程序降温冷却至室温，研磨成粉末后经水洗、离心及烘干后而成。本发明操作简单，在常规g‑C₃N₄引入氮缺陷结构制备g‑C₃N_x，并与铁盐同步焙烧复合Fe₂O₃，并将该催化剂应用于光催化固氮产氨。实验结果表明，所制备催化剂具有较好的光催化固氮产氨性能，对光催化绿色合成氨有推广作用，节能环保。

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，特别涉及含氮缺陷结构石墨型氮化碳（g-C₃N_x）的改性，并复合氧化铁（Fe₂O₃）制备一种含氮缺陷结构Z型氮化碳-氧化铁光催化剂（g-C₃N_x/Fe₂O₃）及其可见光催化固氮应用。

背景技术

氨是现代工业和农业的基础，同时也是洁净能源的重要载体之一。随着对氨需求量的日益增长，人工固氮合成氨的研究受到广泛关注。目前人工固氮主要采用的Haber-Bosch法，需要在高温300-550℃和高压15-25 MPa条件下反应合成氨，该方法存在能耗高、二氧化碳排放量大等弊端，带来较严重的能源损耗与环境污染问题。随着光催化技术的蓬勃发展，利用太阳能在温和条件下实现光催化固氮合成氨，成为固氮领域研究的热点。光催化固氮主要是催化剂在光的激发下产生空穴与电子，通过水（H₂O）的氧化放氧和氮气（N₂）的还原质子化两个反应步骤实现合成氨。石墨型氮化碳（g-C₃N₄）具有适中的带隙宽度（≈2.7eV），以及较强的氧化还原能力（VB: ≈ 1.57 eV vs. NHE；CB: ≈ -1.13 eV vs. NHE），在可见光照射下光催化固氮具有可行性。另外，g-C₃N₄作为一种可见光响应型的非金属半导体材料，具有较强的物化稳定性与能带结构可调等特点，因而在光催化合成氨领域受到广泛关注。然而，常规合成的块状g-C₃N₄在光催化反应中面临活性界面小、电子-空穴易复合及对N₂分子的吸附/活化弱等问题的困扰。经与半导体复合，且设计为Z型光催化结构，在抑制电子-空穴复合的基础上，同时可保留具有较强氧化还原能力的反应位点。

Chinese Journal of Catalysis, 2018, 39: 1180-1188，报道通过对光催化剂进行缺陷结构设计，可有效地增强对N₂分子的吸附，并且可作为活化N₂分子及光催化固氮反应的活性中心。但该研究未涉及在光激发下电子转移机制的研究；

ACS Applied Materials Interfaces, 2019, 11: 27686-27696，报道通过设计Z型光催化结构，在抑制电子-空穴复合的基础上，同时可保留具有较强氧化还原能力的反应位点。该研究讲述了电子转移路线的设计可有效提高光子利用率，但未涉及催化剂结构的调节对N₂分子吸附/活化性能的影响；