[发明专利]一种近红外光热催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种近红外光热催化剂及其制备方法和应用，属于催化剂材料领域。本发明将近红外(NIR)光热效应引入到复合催化剂中，基于路易斯酸度和结构优先性，选择钴和铈单取代的Keggin型多金属氧簇(POM)静电结合到支化聚乙烯亚胺(PEI)共价接枝的氧化石墨烯(GO)载体上，形成NIR光热催化剂。PEI既是GO和POM的连接剂，也是路易斯碱，从而充当CO₂的吸附剂，而SiWCo和SiWCe则充当路易斯酸催化环加成反应，GO基质不仅整合了吸附剂和催化中心以实现协同催化，而且还提供NIR光热用于局部加热，使得该催化剂在温和的温度和大气条件下以非常高的转化频率加速实现了CO₂和环氧化物的环加成反应。

技术领域

本发明涉及催化剂材料制备技术领域，尤其涉及一种近红外光热催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

人类活动导致的CO₂排放量不断增加，带来了严重的环境问题，威胁着人类的生活条件。为了减少碳排放，化学中可采用的方法之一是将CO₂高效转化为高附加值的产品。因此，CO₂作为一种廉价且丰富的C1资源用于生产各种有价值的化学品变得非常受欢迎。然而，CO₂的转化仍然需要消耗能量。光催化加氢/光热加氢和电催化加氢已被证明是非常有效的方法。已经生产了一系列还原产物，如一氧化碳、碳酸氢盐、甲酰胺、甲醇，甚至甲烷等。目前使用的光源主要是紫外线和可见光(UV-vis)以及高能量的模拟太阳光谱。但事实上，从有机合成的角度来看，将太阳光谱的利用扩展到更长的波长方面的工作是非常有限的。

从可持续化学的角度来看，CO₂与环氧化物的环加成生成的环状碳酸酯代表了一种有前途的消耗温室气体的途径，不仅可以实现高原子经济性反应，还可以获得二次电池中的电解质、聚碳酸酯单体和精细化学品中间体等有价值的产品。基于均相路易斯酸催化剂和路易斯碱共催化剂设计的工作已经被广泛报道。然而，其较高的反应温度和压力以及由于转化率和选择性不理想导致产物分离复杂，需要额外的环境成本和时间。CO₂的固定和活化是CO₂与环氧化物环加成反应的两个关键步骤，因此，催化剂的设计尤为重要。多金属氧酸盐(POM)是一类由早期过渡金属氧化物MO_x(x＝5或6)组成的聚阴离子簇，其他过渡金属的部分取代使POM具有额外的路易斯酸性，但仍需要高温和高压，虽然光催化是解决这个问题一个途径，但往往需要较高的光强和较短波长。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种近红外光热催化剂及其制备方法和应用。本发明制得的近红外光热催化剂在近红外光热转化效应的支持下，实现了常温常压下对CO₂环加成的极大增强。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种近红外光热催化剂的制备方法，包括以下步骤：

将氧化石墨烯分散液和脱水剂混合，得到GO溶液；

将所述GO溶液和支化聚乙烯亚胺混合后干燥，得到GO-PEI载体；

将所述GO-PEI载体与水混合后调节pH值为2～4.5，滴加单取代的Keggin型POM水溶液，进行离子替换反应，得到所述近红外光热催化剂，所述单取代的Keggin型POM水溶液的溶质为K₆SiW₁₁Co(H₂O)O₃₉或H₄SiW₁₁Ce(H₂O)₄O₃₉。

优选地，所述GO-PEI载体中GO与PEI的摩尔比为5:1、1:1、1:5、1:10、1:20、1:40或1:100。

优选地，所述支化聚乙烯亚胺的M_w为1800。