[发明专利]一种光电化学分解水与有机合成相互耦合的串联反应设计方法

说明书

技术领域

本发明属于串联合成反应领域，特别涉及一种光电化学分解水与有机合成相互耦合的串联反应设计方法，主要是基于水滑石/金属氧化物纳米阵列多级结构材料，实现光电催化分解水与有机反应相互耦合。

背景技术

光电化学(photoelectrochemical,PEC)分解水技术对实现太阳能到化学能的转化具有重要的意义。近年来，纳米结构金属氧化物材料在光电化学分解水领域的应用加速了该方向的发展，如垂直生长的ZnO、TiO₂等纳米棒、纳米管阵列电极不但能够充分吸收太阳光，而且缩短了电荷在光电活性材料表面和电解液之间传输的距离，极大提高了光电化学分解水的效率。但是，由于该类材料较差的导电性使得其光生载流子容易发生自身复合，同时，该类半导体材料在催化水分解的动力学上也较慢，这都限制了其光电化学分解水的效率。

光电化学分解水除了可以用来制备氧气和氢气这类小分子，由于其产生的光生电子和空穴具有很强的还原和氧化性，同时反应体系里存在大量的原子氢或氧，使得这类反应可以用在催化其它有机分子或二氧化碳气体等发生氧化还原反应，进而得到可以有效利用的新型清洁能源材料或重要的石油化工原料。但是，目前该领域的研究主要集中在光催化领域，而光催化的活性低，稳定性差等问题制约了其不断发展。

层状双金属氢氧化物(LDHs，又称水滑石)是一种宽禁带半导体材料，带隙可通过层板金属元素组成、比例进行调控，将其用于光电化学分解水领域将具有量子产率高、光谱响应范围可调等性能优势。同时，水滑石本身也是一类非常好的电催化分解水的材料。因此，本发明提出把多级结构的水滑石/纳米阵列有序复合材料光电化学分解水和有机反应耦合起来，实现一种低能耗，环境友好型有机合成反应的过程。该类反应在新能源的高效转化和利用方面具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种光电化学分解水与有机合成相互耦合的串联反应设计方法。该方法包括两个部分：首先制备水滑石包裹金属氧化物的复合纳米阵列材料；然后将复合纳米阵列材料作为工作电极，在光照和一定电压下实现光电化学分解水和特定有机反应的进行，实现一种光电催化耦合反应的有效控制。

本发明所述的光电化学分解水与有机合成相互耦合的串联反应设计方法，其具体操作步骤如下：

1).制备水滑石包裹金属氧化物的复合纳米阵列材料；

2).在光照下，10-50℃条件下，把步骤1)得到的水滑石包裹金属氧化物的复合纳米阵列材料作为工作电极浸入到含有待反应物的电解质溶液中进行三电极光电反应，电位设为0.5-1.0V，即在光照下利用恒电位法实现光电化学分解水制氧和氧化耦合串联反应。

所述的水滑石包裹金属氧化物的复合纳米阵列材料的制备方法为：

1).配制20-50ml浓度为0.005-0.01mol/L的Co(NO₃)₂和Ni(NO₃)₂混合溶液，Co(NO₃)₂和Ni(NO₃)₂的摩尔比例为(2:1)-(1:2)；

2).把金属氧化物纳米阵列浸入到步骤1)配制的混合溶液中，利用恒电位法在金属氧化物纳米阵列上生长水滑石，以Ag/AgCl为参比电极，Pt为对电极，电化学合成的电位设为(-0.8)-(-1.2)V，合成时间为10-400s，合成温度为10-50℃。

所述的金属氧化物纳米阵列选自TiO₂、ZnO、Co₃O₄、SnO₂、Fe₂O₃纳米阵列中的一种或几种。

所述的光照条件为70-120mw/cm²的紫外-可见光。

所述的待反应物选自苯、甲苯、一氯甲苯、硝基苯、甲醇、乙醇中的一种或几种。

所述的电解质溶液为：0.1-1mol/L的硫酸钠溶液或0.1-1mol/L的氢氧化钠溶液。

所述的电解质溶液每100mL使用水滑石包裹金属氧化物的复合纳米阵列材料的面积为1-10cm²。

所述的待反应物加入量与电解质溶液的体积比为0.001-1。

所述的三电极光电反应中工作电极为水滑石包裹金属氧化物的复合纳米阵列材料，参比电极为Ag/AgCl或Hg/HgO，Pt为对电极。