[发明专利]一种用于高效光催化甲烷非氧化偶联反应的Au-Pt共改性氮化碳的制备方法及其应用

说明书

本发明提供了一种高效光催化甲烷非氧化偶联复合材料的制备方法，该材料在光催化甲烷非氧化偶联体系中可以得到很好的应用。本发明以尿素作为前驱体热聚合合成氮化碳纳米片（CN），通过光沉积法将Au、Pt纳米粒子分步沉积于氮化碳纳米片上，可得到金铂共改性的氮化碳材料。本发明所述方法可以简单通过控制光沉积的顺序控制所合成Au‑Pt共改性氮化碳中Pt的化学状态及位置分布，从而调控材料的光催化甲烷非氧化偶联反应活性。制备的Au‑Pt共改性氮化碳材料具有较高的可见光吸收效率、甲烷活化能力及电荷分离效率，Au纳米粒子及其表面的零价Pt是反应的高活性位点，Au‑Pt共改性氮化碳材料表现出优异的光催化甲烷非氧化偶联活性及稳定性。

技术领域

涉及一种用于光催化甲烷非氧化偶联反应材料，属于纳米材料领域、及光催化技术领域。

背景技术

甲烷储量丰富，是天然气的主要成分，也是近些年来在深海发现干冰的主要成分。随着化石能源的日益枯竭，甲烷被认为是化石能源的可替代能源之一。然而，甲烷也是一种严重的温室气体，其温室效应是CO₂的25倍。因此，将甲烷合理应用及转化意义重大。除了传统的燃烧甲烷获得热能或者电能外，将甲烷转化为附加值更高的化学品更令人关注。甲烷非氧化偶联（NOCM）是甲烷转化的形式之一，它能获得H₂和长碳链的烷烃。传统的热催化过程需要高温环境来驱动NOCM反应，不仅耗能，还会导致催化剂的高温失活。

近些年来的研究表明光催化技术具有独特的优势，它利用太阳能作为驱动能在常温下对甲烷进行转化，因此能降低反应温度、节省能源、避免催化剂的高温失活。然而，尽管光催化具有以上优势，但光催化NOCM效率仍然十分低下，提高催化剂的催化效率及稳定性仍然是该反应的重点及难点。目前，所报道的具有高活性的催化剂主要是贵金属类光催化剂。贵金属的作用一方面是作为活性位点，降低反应的活化能，另一方面是作为电子的聚集中心，提高电荷分离效率来促进更多的电子参加反应。目前为止，人们主要聚焦于单一金属对该反应的催化性能的提高及其作用机理，关于双金属协同促进光催化NOCM反应仍未见有报道。与单一金属相比，双金属共改性的催化剂因双金属的多功能作用或协同作用往往能展示高效的催化性能。此外，目前大多数的报道均为紫外光驱动的光催化甲烷非氧化偶联体系，关于可见光驱动下的光催化甲烷非氧化偶联催化剂鲜有报道。

因此，基于以上研究背景，从可见光的吸收、光生电荷的有效分离及甲烷活化三个方面考虑，本发明制备了Au-Pt共改性的氮化碳纳米材料，同时将材料与不同Au-Pt负载顺序的样品进行了系统对比。一方面，氮化碳可作为可见光吸收组分，促进更多可见光的吸收；另一方面，Au-Pt所形成的双金属作为甲烷的活化中心，从而提高光催化活性。该发明所制备的Au-Pt共改性的氮化碳纳米材料实现了可见光下的高效及高稳定甲烷非氧化偶联。

发明内容

本发明采用光沉积法将Au、Pt纳米粒子沉积到氮化碳纳米片上，先利用热聚合法制备氮化碳纳米材料，随后将氮化碳纳米材料分散于水醇混合液中，加入Au源后进行光沉积反应，随后利用类似的步骤光沉积Pt，最后得到Au-Pt共改性氮化碳纳米片材料。

本发明所用的热聚合制备氮化碳的方法如下：将2 g尿素均匀放置于瓷方舟中，将瓷方舟放置于马弗炉中空气氛围下煅烧4小时，煅烧温度为530℃，升温速率为2.3℃每分钟，将煅烧后的产物研磨成粉末状即得到样品。

本发明涉及的构建Au-Pt共改性氮化碳纳米片的方法如下：将200 mg氮化碳超声分散于30 mL水和10 mL乙醇中，加入2 mL氯金酸水溶液（1 g/100 mL），在黑暗环境中搅拌30 min，在300 W氙灯下光照1 h。离心后继续加入30 mL水和10 mL乙醇，再加入2.6 mL（2g/L）氯铂酸水溶液，在黑暗环境中搅拌30 min，在300 W氙灯下光照1 h。随后将混合液离心水洗两次，烘干待用。

本发明的优势体现在

1、采用氮化碳作为主体催化剂，其吸光范围广、可见光吸收能力强，解决了传统催化剂对太阳光利用率低的问题。