[发明专利]一种非晶氧化铁纳米片复合材料、其制备方法及其应用

说明书

本发明提供了一种非晶氧化铁纳米片复合材料，由非晶氧化铁纳米片和复合于所述非晶氧化铁纳米片表面的钌单原子组成，所述钌单原子与所述非晶氧化铁纳米片形成Ru‑O和Ru‑Fe键合，构筑了从氧化铁载体向Ru单原子催化位点的高效电子转移通道。本申请还提供了非晶氧化铁纳米片复合材料的制备方法及其应用。本发明采用固相合成法得到钌负载的非晶氧化铁纳米片复合材料，在光催化氮气固定反应中表现出优异的催化性能；此外，本发明的复合材料作为催化剂可循环使用。因此，采用本发明的制备方法得到的复合材料用于提高光催化氮气固定反应性能，具有良好的经济和环境效益。

技术领域

本发明涉及纳米片材料和催化技术领域，尤其涉及一种非晶氧化铁纳米片复合材料、其制备方法及其应用。

背景技术

合成氨是由氮气和氢气在催化剂作用下直接结合生成氨的重要无机化工工艺。在现代化学工业中，氨是化肥工业和基本有机化工的主要原料。当前工业合成氨技术以使用铁基催化剂的哈柏法为主，其反应通常在250大气压和400℃条件下进行，所消耗的能源占全球总能耗1％以上。因此，研究绿色、清洁、可持续的策略来实现温和条件下的高效固氮催化具有非常重要的科学意义和产业价值。在光照条件下，以氮气和水分别作为氮源和质子源合成氨，反应条件温和且环保可持续，是目前能源领域的研究热点。

单原子光催化剂由于原子利用率高、具有不饱和配位和可调节的电子结构，在提高表面催化反应的活性和选择性方面表现出巨大的优势。例如，原子分散的Ru可以促进N₂的吸附和活化。值得注意的是，单原子光催化剂由吸光单元和负载的活性位点组成，整体性能在很大程度上取决于光生电子从载体到单原子催化位点的转移效率。因此，如何对催化剂进行合理构筑，设计出能够实现光生电子在单原子活性位点富集，从而增加还原氮气的能力的高效单原子光催化剂仍然是个巨大的挑战。

北京化工大学孙振宇团队曾针对该系列挑战，将Ru原子掺杂在TiO₂催化剂的氧空位位点处，促进了光催化体系中氮分子的吸附和活化。但在其研究中，催化剂的合成过程较为繁琐，同时其光催化固氮性能仍处于低位。

发明内容

本发明解决的技术问题在于提供一种非晶氧化铁纳米片复合材料，其作为光催化氮气固定的催化剂具有较好的催化性能。

有鉴于此，本申请提供了一种非晶氧化铁纳米片复合材料，由非晶氧化铁纳米片和复合于所述非晶氧化铁纳米片表面的钌单原子组成，所述钌单原子与所述非晶氧化铁纳米片形成Ru-O和Ru-Fe键合。

优选的，所述钌在所述非晶氧化铁纳米片复合材料中的负载量为0.3～3.0％。

本申请还提供了所述的非晶氧化铁纳米片复合材料的制备方法，包括以下步骤：

将钌源、乙酰丙酮铁和盐模板在溶剂中混合，烘干后得到混合粉末；

将所述混合粉末煅烧后冷却，得到非晶氧化铁纳米片复合材料；

所述煅烧的温度低于所述盐模板的熔融温度。

优选的，所述盐模板选自溴化钾、氯化钠或硝酸钠。

优选的，所述钌源选自乙酰丙酮钌，所述盐模板选自溴化钾，所述乙酰丙酮钌、所述乙酰丙酮铁和所述溴化钾的质量比为300μg：5mg：24mg。

优选的，所述煅烧的温度为280～320℃，所述煅烧的时间为2～3h。

优选的，所述溶剂为质量比为(8～10)：1的乙醇和水。

优选的，所述冷却之后还包括：

将冷却后粉末采用乙醇和去离子水洗涤5次以上，干燥。

优选的，所述干燥为真空干燥，所述乙醇和去离子水的体积比为1:1。