[发明专利]一种C/FeNi纳米复合材料及其制备方法以及在催化固氮合成氨中的应用

说明书

本发明涉及光催化剂技术领域，为了克服现有合成氨催化剂所需催化温度高、压强大、活化时间长、催化效率低、难保存、反应条件严苛的不足，公开一种C/FeNi纳米复合材料及其制备方法及其在催化固氮合成氨中的应用。C/FeNi纳米复合材料由Fe盐、Ni盐、配体反应后煅烧得到，具有纯度高、性状好的优点，同时，本发明制备的C/FeNi纳米复合材料呈棒状多孔结构，Fe‑Ni复合单元分布均匀、具有较大的比表面积，具有较高的活性中心密度，因此表现出良好的催化活性。C/FeNi纳米复合材料应用于光催化固氮合成氨反应，无需活化、所需反应条件温和、光利用率高、催化效率高、可重复利用性强的优点。

技术领域

本发明涉及光催化剂技术领域，尤其涉及一种C/FeNi纳米复合材料及其制备方法以及在催化固氮合成氨中的应用。

背景技术

氨气作为塑料工业、制碱工业、化肥工业等领域的重要材料，有着广阔的应用范围。传统的哈伯法制氨使工业化的氨气生产成为可能。但是由于反应条件以及对设备和动力的要求都比较苛刻，而且转化率较低，生产过程能耗高、污染重，成本高，因此长期以来，如何在较为温和的条件下实现固氮作用，一直是化学研究的热门领域。

光催化技术由于具有环境友好、化学能高等优点，被广泛认为是解决环境污染和能源危机的重要技术手段。光催化技术能够极大地实现太阳能向化学能地转变，同时也具有环境友好及稳定性高等特点。然而，单一金属所制备的光催化剂材料多存在禁带宽度较大的缺点，多数氧化物光催化剂只有在紫外光照射下才会成功激发产生电子-空穴对，显示出光化学活性，其对太阳光的利用效率极低(只有百分之五左右)，这阻碍了此类光催化剂在光催化技术领域的大规模应用；另外，多数光催化剂在光照下的光生电子-空穴对极容易复合，从而降低了其光催化效率，这也是目前多数光催化剂的主要的一个缺点。针对上述存在的这些问题，人们对光催化剂做了改性处理，如贵金属负载改性、金属氧化物掺杂改性、半导体复合改性、离子掺杂改性等。然而，它们还存在许多缺点与不足，如昂贵的价格、不可控的含量和破坏性的共轭体系等缺点限制了它们的应用。因此，需要寻找合适的光催化剂来提高其光催化性能。

中国专利公开号CN112266002A，公开了一种常压下催化合成氨的方法，其特征在于：氢气和氮气在反应器中以液态合金为催化剂在常压下合成氨，反应中采用熔融盐，熔融盐的密度小于液态合金的密度，熔融盐用于提供反应界面并用于隔离液态合金避免引入反应环境中杂质。其不足之处在于：使用过程中需要将金属盐熔融，反应温度较高，熔融盐与氮源的接触面积有限，导致合成氨的速率偏低。

中国专利公开号CN106881132B，公开了一种合成氨的催化剂，其特征在于：催化剂由主体和添加剂组成；主体是FexN中的一种或者两种以上，x＝1，2，3或4；添加剂为主族元素的含氢化合物的一种或者两种以上；所述催化剂主体与添加剂的质量比范围为200:1至1:100；主族元素的含氢化合物包括两类，第一类的分子式为MHx，其中M为IA、IIA、IIIA族元素中的一种以及两种以上的组合，x与M的化学价态一致，x为1，2或3；第二类为双金属的复合氢化物中的一种或者两种以上，复合氢化物的分子式为Mx M'_yHax+3_y，其中M为IA、IIA族元素，M'为IIIA族元素中的一种以及两种以上，a为金属M的化合价态，a为2或3，x为1、2或3，_y为1、2或3。其不足之处在于：该催化剂由活泼的主族元素的含氢化合物制得，对保存环境要求极高，反应过程中需严格控制水分含量，反应条件严苛，实用价值有限；该催化剂在催化化学反应前需要数小时甚至数天的活化过程；催化反应过程中，仍需要升温加压。

发明内容

本发明是为了克服现有合成氨催化剂所需催化温度高、压强大、活化时间长、反应速率低、难保存、反应条件严苛的不足，提供一种纯度高；性状好；元素分布均匀；具有多孔棒状结构；比表面积大，载流子迁移率大，能够有效抑制电子-空穴对的复合；光利用率高；活性中心密度高；方便保存的C/FeNi纳米复合材料，并将其应用于光催化固氮合成氨反应；本发明的另一目的在于提供一种C/FeNi纳米复合材料的制备方法；