[发明专利]应用于双功能光催化合成氨的DO

说明书

本发明公开了一种应用于双功能光催化合成氨（即分别以压缩空气和硝酸盐为反应物）的Dsubgt;O/subgt;‑CoBi‑MOFs纳米催化剂的制备，S1：将7.2mg的Bi(NOsubgt;3/subgt;)subgt;2/subgt;·3Hsubgt;2/subgt;O；60mg的PVP溶解于24的mL的DMF和无水乙醇（V:V=3:1）混合溶液中。再将4.4mg、的Co(NOsubgt;3/subgt;)subgt;2/subgt;·6Hsubgt;2/subgt;O和0.8 mg吡嗪溶解于混合溶液中。S2：将8.0mg、0.01mmol的TCPP溶解于8 mL DMF和乙醇的混合溶液中。S3：随后，在剧烈搅拌下(500‑1000r/min)，将S2溶液缓慢地注入S1溶液中，再超声30min。最后将混合溶液转移到25mL玻璃小瓶中，在80℃下加热24h。S4：得到的材料用无水乙醇洗涤若干次，并以8000r.p.m离心收集。去醇洗具体操作方法为，在溶液中加入乙醇，然后放入离心机中离心分离，去除掉上清液。本发明的Dsubgt;O/subgt;‑CoBi‑MOFs纳米催化剂由于其层状结构使其表面积增大，氧空位可增强吸附及活化能力，有利于提升合成氨性能。

技术领域

本发明涉及一种D_O-CoBi-MOFs纳米催化剂的制备及其应用方法，特别是一种应用于双功能光催化合成氨的D_O-CoBi-MOFs纳米催化剂的制备及其应用方法。

背景技术

在自然界，氮循环对维持生命发展起着至关重要的作用。不仅是生命所必需的大分子化合物（氨基酸、蛋白质和核酸等等）离不开氮元素，人类社会的发展和进步也需要含氮化合物作为中间能源。自然循环中固氮酶可以将空气中游离的N₂还原为氨（NH₃）及其它含氮化合物，从而保证了生物体正常的物质循环。在人类社会中，NH₃是工业化工的关键基石，特别是合成化肥等高容量化学品，为人类文明的可持续发展提供了足够的粮食补给。此外NH₃从气态到液体的可转化性，使其成为一种高能量密度（柴油的三分之一）的燃料，这不仅是储存能量的重要载体还是重要的清洁燃料。而早在20世纪以前，氨的合成主要依赖于自然界的氮循环，其大部分都来自微生物对大气中N₂的固定。目前，每年在工业上生产大约200百万吨，并且几乎全部是通过Haber-Bosch工艺合成。但每年维持人类正常发展消耗的NH₃却不少于1.5亿吨。然而这合成工艺却消耗了世界天然气总量的3% ~ 5%，占世界总能源消耗的1% ~ 2%。同时也加剧了温室效应，此工艺每年带来400吨的二氧化碳气体，约占碳足迹中总温室气体排放的1.5%。

为缓解全球能源短缺和环境问题，研究人员正在积极寻求一种温和无污染的手段来解决合成NH₃中的高能耗和温室气体污染。在自然界中的氮循环过程中，固氮酶可在常温常压条件下，利用FeMo、FeV、或者FeFe等活性位点来完成合成氨。因此，模拟固氮酶的固氮机理来发展新工艺来克服Haber-Bosch工艺的局限性是可行的。合理设计功能性的催化体系，使其在温和条件下完成N₂分子活化和加氢，高效地利用空气中的N₂合成NH₃，借此来缓解Haber-Bosch工艺合成氨中的高能耗和温室效应问题。目前，针对“绿色合成氨”已经发展了一系列的替代工艺，如电催化，生物催化，热催化，离子体催化和光催化。电催化主要是通过外接电源，调整外加电压实现N₂还原合成氨。其缺点就是：需要精准控制外加电压，同时，反应过程中会出现析氢过程，析氢反应会抢夺电子极大的减少合成氨的产率。生物催化法：主要是通过模拟生物固氮过程，利用生物酶作用，实现N₂还原合成氨。其缺点就是：生物反应过程缓慢，需要控制反应条件防止酶的失活。而等离子体催化法：主要是通过将材料进行电气化，形成气态带电粒子，具有较高的供电子能力。其缺点就是：热力学不平衡，不稳定，需要施加高电压和一定的电压频率，反应主体是N₂和H₂。