[发明专利]一种高效产甲烷的共价三嗪有机聚合物光催化剂及其制备与应用

说明书

本发明公开了一种可高效产甲烷的共价三嗪有机聚合物光催化剂及其制备方法与应用，属于光催化材料制备技术领域，其是以棒状二氧化硅作为模板，将其与共价三嗪有机聚合物混合，采用退火法合成所述共价三嗪有机聚合物光催化剂。该催化剂具有良好的可见光响应，能够高效实现可见光光催化还原二氧化碳为甲烷，并且所采用的退火法简单便捷，生产成本较低，具有良好的应用前景。

技术领域

本发明属于光催化材料制备技术领域，具体涉及一种可高效产甲烷的共价三嗪有机聚合物光催化剂及其制备与应用。

背景技术

化石燃料的大量燃烧导致大气中CO₂浓度不断增加，引发了全球气候变暖等一系列环境问题，CO₂的减排与转化技术成为当下的研究重点。半导体光催化技术可以利用自然界中无穷无尽的太阳光能将CO₂还原为甲烷等含碳燃料，实现了自然界的碳循环，是解决温室效应和能源短缺等问题的有效方法。然而，CO₂分子具有十分稳定的线性结构，需要极高的活化能和适当的催化剂才能将其转化为可利用的碳资源。因此，开发新型高效的可见光催化还原CO₂为CH₄的光催化剂是当前研究的热点。

在已经报道的新型光催化剂中，共价三嗪有机聚合物（CTFs）是一类由三嗪环连接有机官能团而形成的有机聚合物，具有可见光响应及合适的能带结构。同时，作为一种富氮型的共价有机框架，CTFs具有良好的CO₂吸附能力，有利于将其转化为可利用的碳资源。但是CTFs仍存在光吸收能力差、光生载流子复合率高等问题，制约了其在光催化领域的进一步应用。研究表明，经退火处理后的光催化半导体材料可以减少表面缺陷，去除表面吸附的氨气（NH₃），还可以形成更多的孔，使其比表面积增大，暴露出更多的活性位点，可提高其光催化活性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可高效产甲烷的共价三嗪有机聚合物光催化剂及其制备方法与应用，该催化剂具有良好的可见光响应，可以高效实现可见光光催化还原二氧化碳为甲烷，同时该催化剂的制备对设备的要求不高，生产成本低，有良好的应用前景。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种高效产甲烷的共价三嗪有机聚合物光催化剂，其是以棒状二氧化硅作为模板，将其与共价三嗪有机聚合物混合，采用退火法合成。该催化剂具有良好的可见光响应，可用于光催化还原二氧化碳为甲烷的反应中。

所述共价三嗪有机聚合物光催化剂的制备方法包括以下步骤：

（1）共价三嗪有机聚合物的制备：

在0 ℃条件下，将40 mL三氟甲烷磺酸缓慢加入到5.12 g对苯二甲腈中，更换油浴并升温至30 ℃，静置3天后，所得固体搅碎，用100-160 mL二氯甲烷冲洗过滤，再用氨水洗涤数次，然后加入150-200 mL氨水充分搅拌12 h，水洗离心至中性，再用甲醇清洗离心一次；将得到的固体沉淀用甲醇在80-100 ℃条件下回流10-30 h，再用二氯甲烷在60-80 ℃条件下回流10-30 h，收集固体并在80 ℃真空干燥12 h，得到共价三嗪有机聚合物；

（2）棒状二氧化硅的制备：

将0.7-0.8 g的三嵌段共聚物F127、1.8-2.0 g十六烷基三甲基溴化铵加入到180mL浓度为0.9-1wt.%的氨水溶液中，在搅拌条件下滴入6-8 mL的正硅酸乙酯，充分反应2-4h后水洗，然后在盐酸和乙醇的混合溶液中回流2-4 h，将得到的固体加水配制成25-30 mg/mL的悬液；然后取60 mL上述悬液，加入到1200 mL、5 mg/mL的聚醚酰亚胺溶液中，90 ℃条件下反应2-4 h，待冷却至室温后将得到的固体水洗数次，真空干燥后置于550 ℃下煅烧2-4 h，得到棒状二氧化硅；

（3）共价三嗪有机聚合物光催化剂的制备：