[发明专利]一种核壳型Fe2

说明书

本发明公开了一种核壳型Fe₂O₃@Ti_xO_y‑P_z光催化剂的制备方法及应用。该方法包括以下步骤：通过水热法制备立方体的α‑Fe₂O₃；制备核壳型Fe₂O₃@TiO₂纳米复合材料；将核壳型Fe₂O₃@TiO₂纳米复合材料在300℃下进行磷化处理得到所述核壳型Fe₂O₃@Ti_xO_y‑P_z光催化剂。本发明将α‑Fe₂O₃与宽带隙的二氧化钛耦合在一起可以有效克服α‑Fe₂O₃自身的缺陷，增强了光生电子和空穴的传输和分离效率，提升了pNRR活性。本发明将复合材料进行磷化处理，在TiO₂表面诱导生成N₂的活性位点Ti³⁺物种，来增强N₂分子的有效吸附和活化，进一步增强pNRR活性。

技术领域

本发明属于光电能源材料技术领域，具体涉及一种核壳型Fe₂O₃@Ti_xO_y-P_z光催化剂的制备方法及应用。

背景技术

氨(NH₃)是现代社会不可缺少的一种化学物质，是制造药物、化肥、树脂、染料、炸药等合成化学品的基本成分。将NH₃冷凝成液体时，与氢(H₂)相比，具有可观的能量密度和可运输性，短期内可用于动力燃料电池。到目前为止，工业固氮合成NH₃是通过高温高压的哈伯-博施法实现的；这样一个过程需要消耗大量的资源和能源，需要复杂的大规模基础设施，同时会排放大量的二氧化碳，对环境影响巨大。因此，迫切需要开发一种新的能耗低、绿色、可持续的固氮合成NH₃方法。

与现有的能源密集型哈伯-博施法相比，光催化氮还原反应(photocatalyticN₂reduction reaction，pNRR)以水(H₂O)为质子源，在半导体光催化剂和可再生太阳能的驱动下，实现了N₂向NH₃转换，成为了近年来一个比较前沿兼绿色环保的研究领域。从高效利用太阳光方面而言，理想的光催化剂应能吸收可见光，因为在太阳光谱中可见光占很大比例(约44％)。众所周知，赤铁矿(α-Fe₂O₃)具有成本低廉、可见光响应宽、光稳定性高、环境友好等优点，是一种很有前途的pNRR催化剂。然而，在单组分α-Fe₂O₃材料中，其光生电子的还原能力较低，无法发生有效的pNRR反应。此外，光生电子和空穴的高复合率阻碍了其在pNRR中的广泛应用。另一方面，氮气的N≡N键是非常强的(～941kJ mol^-1)，使得pNRR的动力学过于缓慢，导致常见的光催化固氮合成氨体系的反应速率比较低，难以实现产业化应用。

专利文献CN03158740.2公开了一种氧化物纳米颗粒、非金属元素、半导体纳米粒子组成的光催化剂，该专利中将半导体纳米材料的化合物0.1～0.5摩尔在剧烈搅拌下在10分钟-30分钟内加到预先配好的0.001～0.1M的金属盐与非金属盐的甲醇溶液中，向此混合溶液中每隔5～10分钟加入0.1ml 5M的HNO₃水溶液进行水解，在常温下搅拌5～12小时，得到半导体纳米溶胶，放置沉降老化1～10天，烘干溶剂后，在高温300～900℃中焙烧，制得光催化剂。但是该光催化剂循环5次降解2,4,6-三氯酚的结果显示其结构不稳定、重现性差：前三次循环光反应240min，三氯酚降解可达90％以上，催化剂的催化活性基本没有降低；但是第四和第五次循环光反应240min，2,4,6-三氯酚降解仅为80％以上。

发明内容