[发明专利]一种铌酸锂型氧化物/凹凸棒石非线性光学复合光催化材料及其制备方法与应用

说明书

本发明属于化工新材料领域，特别涉及一种铌酸锂型氧化物/凹凸棒石(ATP)非线性光学复合光催化材料及其制备方法与应用。采用溶胶凝胶法在凹凸棒石表面原位生长粒径均匀的LiNbO₃纳米粒子，经过高温煅烧，使ATP中富含的镁元素(Mg²⁺)掺杂进LiNbO₃晶格。一方面，引入杂质能级降低带宽，使其能够在可见光波段激发，扩大光响应范围，提高太阳光的利用率；另一方面，ATP作为催化剂载体，起到了良好的分散作用，增大太阳光的接触面，此外，ATP本身具有较大的比表面积和独特的孔道结构，发挥了独特的吸附性能，在光催化固氮过程中会吸附部分氮气，与LiNbO₃协同从而提高光催化固氮效率。

技术领域

本发明属于化工新材料领域，特别涉及一种铌酸锂型氧化物/凹凸棒石非线性光学复合光催化材料及其制备方法与应用。

背景技术

自然界中的固氮方法主要通过闪电和微生物固氮，然而自然界中固定的氮远远满足不了工、农业生产的需求。目前工业上广泛应用的人工固氮方法是Haber-Bosch法工业固氮产氨，但是设备要求高，能耗大，污染严重。因此开发和发展绿色清洁，低能耗的人工固氮工艺具有重要的社会意义。随着多相光催化技术的不断发展，光催化固氮产氨技术受到了研究者广泛的关注。

近年来，非线性光学材料在光催化领域得到了应用。非线性光学材料具有通过自由电子和空穴或离子以及吸附在表面上的分子自发极化的独特性质。内部偶极场产生带电表面，然后触发光生电荷载流子向相反方向移动。这可以减轻电子-空穴复合的问题，与常规半导体相比，它改善了光催化活性和稳定性。铌酸锂(LiNbO₃)作为一种特定的非线性光学材料光催化剂，Kenji Saito等人(Dalton Trans.,2011,40)证明LiNbO₃能够通过非线性光学特性和负导带值裂解水以产生氢。哈尔滨工业大学Guoshuai Liu等(Environ.Sci.Technol.,2016,50)发现LiNbO₃可用于光催化反硝化去除硝酸盐。

凹凸棒石(ATP)作为一种天然的粘土材料，其中含有丰富的镁元素(Mg²⁺)，具有较大的比表面积、优越的吸附性能和独特的空隙结构可以作为催化剂的载体。其内部含有氧化铁，使得凹凸棒也具有一定程度的光响应性质。

发明内容

从热力学角度来看，如果光催化剂具有适当的费米能级和导带值足够负(小于-0.092eV)，非线性光学材料光催化剂LiNbO₃在太阳光照射下将直接进行光催化固氮反应。能量越高的光照射，LiNbO₃作为非线性光学材料其二次谐波产生效应使被激发的电子–空穴越不易复合。然而由于其带隙较宽，仅可对紫外光响应，而紫外光只占太阳光的5％，所以对太阳光的利用率非常低下。

为了充分利用太阳光能量中占多数的可见光，解决太阳光的利用率低的问题，本发明提供了一种铌酸锂型氧化物/凹凸棒石非线性光学复合光催化材料，通过使LiNbO₃晶体在凹凸棒石(ATP)上原位生长，经过高温煅烧，使ATP中富含的镁元素(Mg²⁺)掺杂进LiNbO₃晶格，引入杂质能级降低带宽，使其能够在可见光波段激发，扩大光响应范围。

本发明通过在凹凸棒石表面原位生长粒径均匀的LiNbO₃纳米粒子，经过高温煅烧，使ATP中富含的镁元素(Mg²⁺)掺杂进LiNbO₃晶格，引入杂质能级降低带宽，使其能够在可见光波段激发，扩大光响应范围，提高太阳光的利用率，从而大大提高了铌酸锂型氧化物/凹凸棒非线性光学复合光催化材料光催化的效果。