[发明专利]一种复合光催化剂及其应用

说明书

本发明涉及一种复合光催化剂及其应用，所述复合光催化剂包括：N₂活化助催化剂、光生空穴捕获助催化剂以及作为载体并提供光生载流子的光催化剂；所述N₂活化助催化剂为碱土金属氧化物；所述光生空穴捕获助催化剂为CoO_x或NiO_x，其中1≤x≤1.33；所述作为载体并提供光生载流子的光催化剂为TiO₂或/和g‑C₃N₄。本发明制备高活性光催化合成氨材料并构建温和、低能耗的光催化合成氨体系具有巨大的科学价值与现实意义。

技术领域

本发明属于人工固氮合成氨领域，涉及一种复合光催化剂及其应用，适用于环境、能源、材料等领域。

背景技术

固氮是自然界中仅次于光合作用的第二重要的化学过程，人们一直期望得到像固氮酶那样的化学固氮体系，使大气中的氮气和水在常温常压下转变成氨。理论上，合成氨反应是一个热力学上不能自发进行的反应，氮气分子三键键能941KJ mol^-1，第一电离势15.58eV，具有非常高的稳定性，其三键键能是所有同核双原子分子中最大的，难以实现如固氮酶那样在常温常压下将N₂和H₂O转化成氨。目前合成氨工业化生产仍基于高温、高压的反应条件。工业上应用的合成氨工艺是Haber-Bosch法(N₂+3H₂→2NH₃)，该法使用以铁为主体的多成分催化剂，在500℃左右和20-50MPa条件下发生。化学固氮有效的解决了生物固氮的不足，但是对设备和动力的要求比较苛刻，整个过程能耗大。特别是通过烃的水蒸气重整得到氢气过程中，大量的CO₂作为副产物排放入大气，增加了环境负担。其次，尽管钌基催化剂的研发作为第二代合成氨催化剂，但仍需要高温(大于300℃)降低活化氮气的能垒。从合成氨反应中质子源选取角度而言，上述的高温催化剂只能与H₂相匹配。显然，相比H₂，H₂O作为无污染、廉价易得的质子载体更适合于实现低能耗、无二次污染的合成氨反应。但是，H₂O分子的催化解离并实现同N₂结合的质子转移过程，仍是制约实现这一反应的瓶颈。

近年来，采用光催化法合成氨开始出现一些报道，但是所选用的催化剂多为金属-金属氧化物或金属氧化物负载贵金属，而且氨的产率偏低，因此也没有实现其应用。其不足主要体现在：1.需要调控半导体光催化材料的能带位置，提高对光的利用率和光生载流子的迁移效率，使迁移到表面的表面电子/空穴具有更强的氧化还原性；2.需要构建光催化材料表面的N₂活化位点，并保证其稳定性；3.N₂还原产物的生成需要配合H⁺离子或质子的转移，一般光催化体系则选择有机牺牲剂提供H⁺离子或质子的供体，然而从应用角度而言，牺牲剂或溶剂增加反应成本并带来“三废”排放及治理等新问题。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种高活性光催化合成氨的催化剂以及构建室温常压、太阳能驱动的光催化合成氨体系。

一方面，本发明提供了一种复合光催化剂，包括：N₂活化助催化剂、光生空穴捕获助催化剂以及作为载体并提供光生载流子的光催化剂；

所述N₂活化助催化剂为碱土金属氧化物；

所述光生空穴捕获助催化剂为CoO_x或NiO_x，其中1≤x≤1.33；

所述作为载体并提供光生载流子的光催化剂为TiO₂或/和g-C₃N₄。