[发明专利]一种带有高密度氧空位的铁基尖晶石的水热合成方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种带有高密度氧空位的铁基尖晶石的水热合成方法及其应用，属于纳米催化技术领域。

背景技术

随着世界经济的快速发展，能源短缺和环境污染已经成为全球各国均面临的严峻问题。因此，开发清洁无污染的可再生能源势在必行。我国当前已经是CO₂排放第一大国，受到越来越大的国际社会压力。利用太阳能作为能量来源，将CO₂和H₂O直接转化为碳氢燃料，既可降低大气中的CO₂浓度，又能将太阳能转变为易于储存与运输的高能量燃料，对太阳能利用与CO₂的资源化都具有重要意义。人工太阳能转化CO₂有光催化、光电催化、模拟光合作用以及光热等多种方式。其中，光催化、光电催化以及模拟光合作用几种转化形式主要利用太阳能能谱中的紫外与可见部分，而在太阳能能谱中红外部分占到50％以上。光热转化形式可以利用整个太阳能能谱，具有较高的能量转换效率，并且活性材料一般价格低廉，逐渐受到国际社会的关注。

光热催化主要是利用氧化物的氧空位与CO₂进行夺氧反应。氧化物的氧空位密度越大，催化分解二氧化碳的能力越强。为了获得拥有大量氧空位的氧化物和降低还原氧空位的温度，研究者们投入了巨大的精力。Jiang Q等在Sol Energy,2014,99:55–66上发表了关于利用过渡金属掺杂二氧化铈的报道，目的是要获取更低的脱氧温度，用来提高热解二氧化碳的能力。McDaniel AH等在Energy Environ Sci,2013,6:2424–2428上发表了关于钙钛矿掺杂金属元素的报道，目的也是要降低脱氧温度，提高热解二氧化碳能力。但是目前氧化物的脱氧温度还是很高，还原氧空位很困难。

目前，主要采取在惰性气体或氢气环境下热处理氧化物来生成氧空位。但是热处理温度很高，且机理复杂，空位形成难以控制，且成本较高。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种带有高密度氧空位的铁基尖晶石的水热合成方法，其方法有效、简单，旨在解决氧空位密度低以及还原氧空位困难等难题，提高产品催化效率，并拓展纳米材料的适用领域。

本发明提供一种带有高密度氧空位的铁基尖晶石的水热合成方法，具体步骤如下：

(1)将MCl₂6H₂O，和Fe(NO₃)₃9H₂O溶于乙二醇中，搅拌使溶液澄清；再加入NaOH，继续搅拌，直到溶液再次澄清为止；其中：M为Mn、Ni或Fe，所述MCl₂6H₂O、Fe(NO₃)₃9H₂O和NaOH的摩尔比为1:2：(3-6)；

(2)将步骤(1)混匀后所得的混合溶液置于水热釜中，在180-240℃温度下反应4-24h，得到反应产物；

(3)待反应产物自然冷却后离心过滤，所得沉淀物依次用去离子水和乙醇洗涤，然后干燥，即得带有高密度氧空位的铁基尖晶石纳米粉体MFe₂O₄。

上述步骤(1)中，Fe(NO₃)₃9H₂O和乙二醇的质量体积比为1:50g/ml-1:100g/ml。

上述步骤(1)中，搅拌时，转速为500-800rpm。

上述步骤(3)中，干燥是在60-80℃的烘箱中干燥6-12h。

本发明的有益效果在于：

(1)传统制备氧空位的方法需要在氢气环境下热处理还原出氧空位。本专利通过一步水热法合成，无需热处理脱氧，从根本上解决了氧空位难还原问题，合成工艺简单，合成周期短、所需生产设备简单，易于实现工业生产。

(2)合成的铁基尖晶石纳米粉体为纯相，纯相有助于提高铁基氧空位的含量，铁基尖晶石氧空位密度高；

(3)合成的铁基尖晶石纳米粉体催化产物选择性高，产物中CH₄的选择性在99％以上；

(4)合成的转化CO₂的效率比对应的单一铁基尖晶石催化剂提高80％。

附图说明

图1为实施例1合成的带有高密度氧空位的铁基尖晶石催化剂的X-射线衍射图谱。

图2为实施例2合成的带有高密度氧空位的铁基尖晶石催化剂的X-射线衍射图谱。