[发明专利]一种硅藻土-表面钴掺杂纳米黄铁矿复合材料及其制备和应用

说明书

本发明公开了一种硅藻土‑表面钴掺杂纳米黄铁矿复合材料及其制备和应用，具体步骤如下：将硫酸钴，溶于沸点在180‑300℃能够溶解硫酸钴，且不参与反应的有机溶剂中，加入FeS₂纳米粉末和硅藻土，混合均匀；将混合溶液转移至反应釜，进行水热反应后，分别使用稀硫酸，二硫化碳洗涤，然后依次采用无水乙醇和蒸馏水洗涤，进行烘干后得到的硅藻土‑表面钴掺杂纳米黄铁矿复合材料。本发明有效提高了FeS₂纳米材料光催化氮气还原的能力；本发明首次提出构建硅藻土‑表面钴掺杂纳米黄铁矿复合材料的思路和技术方法，具有很高的推广与应用价值。

技术领域

本发明属于光催化氮气还原催化剂技术领域，具体涉及一种用于光催化氮气还原的硅藻土-表面钴掺杂纳米黄铁矿复合材料及其制备和应用。

背景技术

氨(NH₃)的能量密度高，是一种重要的清洁能源载体和绿色燃料。然而，NH₃的生产较为困难，到目前为止，工业上合成氨的方法主要是基于Haber-Bosch工艺，使用N₂与H₂在高温高压上进行反应合成NH₃，这种方法能耗高(占全球年供应量的1％)，二氧化碳排放量大(占全球二氧化碳产量的1.6％)。因此，开发一种能在常温常压下低能耗生产NH₃的方法具有重要意义。

光催化法利用半导体作为催化剂，在太阳光的照射下，将N₂转化为NH₃，是一种绿色环保和低成本的方法。目前已成功开发的光催化剂有Fe₂O₃、TiO₂、ZnO和BiO_2-x/g-C₃N₄纳米片复合材料等。在光催化剂的开发和应用中，主要存在的问题有：催化剂的可见光的吸收率低、光生电子-空穴容易复合、制备复杂和成本相对较高等问题，这些问题阻碍了其大规模的工业应用。

黄铁矿(FeS₂)是地球上最常见的硫化物矿物，其禁带宽度为0.95eV，是一种同时具备廉价和高潜力的光催化材料。未经修饰的纯黄铁矿不能光催化N₂转化成NH₃，需要在黄铁矿表面进行修饰，如掺杂钴离子，将可能赋予黄铁矿光催化N₂转化成NH₃的能力，而在修饰过程中，将光催化剂负载到硅藻土上，将可能进一步地提高光催化效率。

鉴于此，本发明设计了两步水热合成法，以初步合成的纳米FeS₂结构为前驱体材料，在其表面进行钴离子掺杂，同时负载到硅藻土上。通过调控反应过程温度，控制加入硅藻土-黄铁矿的比例和反应时间等条件，制备了硅藻土-表面钴掺杂纳米黄铁矿复合材料。

发明内容

本发明的首要目的是提供一种简单易操作的制备硅藻土-表面钴掺杂纳米黄铁矿复合光催化材料的方法。该材料在可见光催化氮气还原技术领域是首次报道，在N₂转化NH₃反应中具有较高的催化效率。

一种硅藻土-表面钴掺杂纳米黄铁矿复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将硫酸钴，溶于沸点在180-300℃能够溶解硫酸钴，且不参与反应的有机溶剂中，加入FeS₂纳米粉末和硅藻土(直径30-50μm)，混合均匀；

(2)将混合溶液转移至反应釜，进行水热反应后，分别使用稀硫酸，二硫化碳洗涤，然后依次采用无水乙醇和蒸馏水洗涤，进行烘干后得到的硅藻土-表面钴掺杂纳米黄铁矿复合材料。

上述方法中的溶剂需要满足：提供一个疏水和隔离空气的反应环境，且沸点在180-300℃，使得反应不受外界干扰，保证反应的发生；能够溶解硫酸钴。