[发明专利]一种光催化氮气和氢气合成氨气的金属-半导体复合光催化剂、制备方法及其应用

说明书

一种具有高效光催化氮气和氢气合成氨气的金属‑半导体复合光催化剂、制备方法及其应用，属于合成氨催化技术领域。本发明将超顺磁双金属铁铂(或铁钯，铁金，铁镍)纳米簇负载在半导体氮化物、半导体氧化物以及半导体硅(g‑C₃N₄、ZnO、MoO₂或Si)上，得到具有高催化活性的光催化合成氨催化剂。该光催化剂能够在室温、常压、光辐照条件下催化N₂和H₂合成氨。该新型光催化剂有望替代传统催化剂，在更温和条件下催化N₂和H₂合成NH₃，节省NH₃合成成本，并能够有效减少能源的消耗并降低环境污染。

技术领域

本发明属于合成氨催化技术领域，具体涉有一种具有高效光催化氮气和氢气合成氨气的金属-半导体复合光催化剂、制备方法及其应用。

背景技术

氮元素是生物体内必不可少的元素，广泛存在于蛋白质和核酸中。尽管大气中含有大量的氮气(N₂)，但由于N₂具有强非极性氮氮共价键，导致N₂实际上很难被直接应用。即使在今天，有效固定N₂仍然是一个挑战。而氨气是一种重要的化工和能源原料，已被广泛应用。利用空气中的氮气合成氨被誉为是世纪最伟大的科学进展。目前合成氨最主要的方式是Haber-Bosch工艺，该工艺采用氮气和氢气为反应气体，使用Fe基或Ru基催化剂，但是需要在非常苛刻的条件下(400-600℃， 15-40MPa)进行，导致该工艺需要消耗大量的化石能源。据统计，地球每年有超过1％总能量用于合成氨，并排放出大量温室气体二氧化碳。因此，因此需要开发新型的催化剂，能够在更温和的条件下催化氮气和氢气合成氨气。

目前，开发新型固氮催化剂被广泛研究，尤其在Ru基催化剂、有机金属催化剂、过渡金属/LiH催化剂、电催化剂和光催化剂等方面。光催化剂是利用太阳光进行催化，因为不需要高温高压等苛刻条件，被认为是一条经济型的合成路线。此外，考虑到NH₃(N₂(g)+3H₂(g)→2NH₃(g)ΔH_298k＝-92KJ mol^-1)合成是一个放热过程，相对较低的温度也有利于反应的正向进行，提高NH₃转化率。因此，该类光催化剂被广泛关注和研究，但是由于N₂的惰性分子结构和低温N≡N键解离困难，该类光催化反应仍然存在NH₃转化效率低等问题。该方法最早发表在ACS Nano杂志(2016年第10期第10507-10515页)，题目为“光促进块体交联石墨烯材料的热电子及其有效催化常压合成氨”，不过反应温度依然高达200℃。另外，Chaojun Li等人最近在Angew.Chem.Int.Ed.杂志上(2017年第56期第8701-8705页)发表了题目为“超小钌团簇促进III-V族氮化物纳米线光固氮”的文章，首次将合成氨的温度降低为室温。研究发现引入合适的催化活性位点(如金属物质或缺陷)可以通过接收吸附氮气的成键轨道电子并将电子反馈到氮气的π反键轨道上，可以促进N₂分解。此外，光催化氨合成的另一个关键问题是从光催化剂到N₂分子间低效的界面电子转移，不利于提高氨气合成的效率。因此，需要科学合理设计催化剂，实现高效的光催化N₂合成氨，解决光催化N₂合成氨的低效问题。

发明内容

为了解决以上问题，本发明设计合成了一类光催化剂，能够在比较温和条件下，实现高效的光催化N₂合成氨。

本发明解决问题的方案如下：将超顺磁双金属的铁铂(或铁钯、铁金、铁镍等) 纳米簇掺杂在氮化物、氧化物以及硅半导体上，得到具有高催化活性的光催化剂，该光催化剂能够在室温、常压、光辐照条件下高效催化氮气和氢气合成氨气。