[发明专利]一种氮还原用复合材料光催化剂、其制备及应用

说明书

本发明涉及一种氮还原用复合材料光催化剂、其制备及应用，属于光催化氮还原反应技术领域。所述光催化剂由多孔聚合物薄膜、组装在多孔聚合物薄膜上的MOF以及封装在MOF颗粒空腔中的AuNPs组成的复合材料，该光催化剂能够在气‑膜‑液三相反应界面处实现直接等离子体催化，使得光催化氮还原性能得到大幅提高，而且该光催化剂的制备方法简单，为其它气体分子的等离子体光催化应用场景提供了新的设计思路。另外，本发明所提供的反应装置，可以迫使含氮气体直接穿过所述光催化剂，避免了传统光催化设计中氮气在水溶液中的溶解过程，从而增加了AuNPs表面氮气的局部浓度，进一步促进了光催化反应。

技术领域

本发明涉及一种氮还原用复合材料光催化剂、其制备及应用，属于光催化氮还原反应技术领域。

背景技术

目前，等离子体金属纳米颗粒(Plasmonic Metal Nanoparticles,PMNPs)与其他材料组成的复合材料催化剂已应用于光催化氮还原反应，PMNPs上产生的热电子可以转移到附着的半导体或金属助催化剂上，以远程驱动氮还原反应。但它们存在以下缺点：(1)PMNPs与半导体载体之间的肖特基势垒会阻碍热电子的传输，进而影响光电转换效率；(2)随着与PMNPs的距离的增加，局域表面等离子体共振场的场强呈指数衰减，而此类催化剂的催化中心与局域表面等离子体共振场分开，使其无法充分参与表面吸附氮分子的活化；(3)传统反应体系是将光催化剂浸入水溶液并向其中鼓吹氮气，由于氮气在水中的溶解度极低(283K时，1体积水约可溶解0.02体积氮气)，这种反应界面设计限制了氮分子的浓度及其向活性中心的传质扩散，从而进一步限制了总反应效率。因此，非常需要先进的光催化氮还原反应催化剂和反应界面设计来统筹解决光电转换、氮分子活化和传质方面的挑战。

发明内容

针对目前等离子体材料作氮还原反应光催化剂时，存在的光电转换、氮分子活化和传质方面的问题，本发明的目的之一提供了一种氮还原用复合材料光催化剂，该光催化剂在气-膜-液三相反应界面处实现直接等离子体催化，使得光催化氮还原性能得到大幅提高，为其它气体分子的等离子体光催化应用场景提供了新的设计思路。

本发明的目的之二提供了一种氮还原用复合材料光催化剂的制备方法，该方法工艺简单，易于操作，原料易得。

本发明的目的之三提供了一种氮还原用复合材料光催化剂的应用，设计用于光催化氮还原的反应器，可以进一步促进多相反应物的扩散并促进光催化反应。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种氮还原用复合材料光催化剂，所述光催化剂是由金纳米颗粒(GoldNanoparticles,AuNPs)、有机金属框架(Metal-Organic Framework,MOF)以及多孔聚合物薄膜组成的复合材料；

其中，AuNPs限域在MOF中(即AuNPs封装在MOF颗粒的空腔中)，AuNPs在负载有AuNPs的MOF(简记为Au@MOF)上的质量分数优选0.6％～5.3％，更优选1.5％～3.5％；Au@MOF组装在多孔聚合物薄膜上，Au@MOF在多孔聚合物薄膜上的负载量优选0.1mg/cm²～1.2mg/cm²，更优选0.5mg/cm²～0.6mg/cm²。

进一步地，AuNPs的粒径优选1.5nm～4.5nm。

进一步地，所述MOF优选为在可见光区域没有光吸收的MOF材料，MOF材料的粒径优选20nm～800nm，更优选50nm～350nm，MOF材料更优选UiO-66。

进一步地，多孔聚合物薄膜优选为多孔聚四氟乙烯薄膜(Polytetrafluoroethylene,PTFE)。

一种氮还原用复合材料光催化剂的制备方法，所述方法步骤如下：

(1)采用浸渍-还原法制备AuNPs@MOF