CN109833888A - 一种合成氨催化剂及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种合成氨催化剂及其制备方法和应用,光催化剂的化学组成为BixTM1yTM2zOCl,其中TM1为选自Fe,Co,Ni中的至少一种的第一过渡金属,TM2为选自Cu、Zn、Cr、Mn、Ti、V、W中的至少一种的第二过渡金属,0.5<x<1,0<y<0.5,0<z<0.5,x+y+z=1。本发明的催化剂具有可见光响应能力,能够使光催化固氮在可见光条件下完成。
Description
技术领域
本发明属于化工合成氨领域,涉及一种过渡金属掺杂的光催化剂及其应用,适用于 环境、能源、材料等领域。
背景技术
目前合成氨工业化生产仍基于高温、高压的Haber-Bosch方法(N2+3H2→2NH3),该法使用以铁为主体的多成分催化剂,在500℃左右和20-50MPa条件下进行合成氨反应。世界每年用于合成氨所消耗的能量约占世界能耗的1%,特别是通过烃的水蒸气重整得到氢气 过程中,数以千万吨计的CO2作为副产物排放入大气,增加了环境负担。这一结果主要是由 氮气的化学性质和工业上采用的催化剂的特点所决定的。首先,氮气分子在常温常压下非常 稳定,氮氮三键键能高达945.37kJ·mol-1,在同核双原子分子中最大,需要在高温高压下才 能活化氮氮三键。其次,工业上主要采用铁基催化剂,这类催化剂需要在高温条件下才能激 活氮气的活化位点,不但对设备要求较高,并且运行成本较大。铁基催化剂容易中毒,对原 料气体的纯度要求很苛刻,建造额外的气体净化装置也提高了实用成本。
与之相比,通过光催化在温和条件下实现合成氨反应更具有吸引力。光催化固氮是 利用光能通过半导体光催化剂将氮气转化为氨的一种新的催化技术,然而,如何进一步提高 光生载流子的寿命和提高光催化固氮效率,是有待解决的重要科学和技术问题。目前的不足 主要体现在:1.需要提高光催化剂对光的吸收,加强光生载流子的迁移效率,使迁移到表 面的表面电子/空穴具有更强的氧化还原性;2.需要在光催化材料表面构建稳定的N2活化位 点;3.NH3的生成需要配合质子(H+)与电子耦合转移,一般光催化体系则选择利用空穴牺 牲剂提供,然而从应用角度而言,添加牺牲剂或溶剂,增加了反应成本并带来“三废”排放 及治理等新问题。
发明内容
针对上述问题,本发明的目的在于提供一种高活性光催化合成氨的催化剂以及构建 温和、低能耗的光催化合成氨材料体系和应用。
在此,一方面,本发明提供一种用于合成氨的光催化剂,所述光催化剂的化学组成为BixTM1yTM2zOCl,其中TM1为选自Fe,Co,Ni中的至少一种的第一过渡金属,TM2为 选自Cu、Zn、Cr、Mn、Ti、V、W中的至少一种的第二过渡金属,0.5<x<1,优选0.5<x <0.7,0<y<0.5,0<z<0.5,x+y+z=1。
本发明的BixTM1yTM2zOCl光催化剂,通过掺杂两种过渡金属TM、TM2,可以提高 材料对可见光的吸收,用于合成氨时能增强氮气的吸附和活化,实现多电子还原氮气过程延缓光生载流子的复合,促进H2O分子的分解。其最高合成氨性能可达到1.3mmol/g·h。相对于铁掺杂体系的合成氨效率(0.3mmol/g·h)提升了四倍。两种过渡金属掺杂相对于铁单掺杂,提高了光生载流子的分离效率。特别是第二种TM2过渡金属的掺杂有利于使催化剂产生热电子提高氮气还原效率。本发明的催化剂具有可见光响应能力,能够使光催化固氮在可 见光条件下完成,使其具有更广阔的应用前景。
较佳地,所述光催化剂的形貌为纳米片,粒径为5~300nm。
本发明中,第一过渡金属TM1为Fe,Co,Ni中的至少一种,优选为Fe,Co,Ni中的 任意一种。由于过渡金属掺杂后能够于Bi离子形成Bi-O-TM1并实现金属-金属间的电荷转 移(MMCT机制),从而TM1可以起到提高材料对可见光的吸收。受到光生电子还原的 Fe3+离子能够增强氮气的吸附和活化、实现多电子还原氮气过程等作用。
较佳地,0.2<y<0.4。
本发明中,第二过渡金属TM2为Cu、Zn、Cr、Mn、Ti、V、W中的至少一种,优 选TM2为Cu、Zn、Cr、Mn、Ti、V、W中的任意一种,更优选Mn、Cr、Zn中的任意一 种。由于TM2存在多个价态既可以作为电子的捕获中心,又能够成为空穴的捕获中心,因 此TM2可以起到延缓光生载流子的复合、促进H2O分子的分解等作用。
较佳地,0<z<0.1。
本发明中,所述光催化剂的制备方法可以包括:
按照化学计量比将Bi源、含有TM1的盐、含有TM2的盐、水均匀混合,得到混合溶液; 通过酸调节混合溶液的pH值在1~3之间;以及
将pH值在1~3之间的混合溶液于120~200℃保温2~24小时,得到所述光催化剂。
本发明的BixTM1yTM2zOCl光催化剂的制备过程中未使用贵金属,可降低成本。而且,本发明的光催化剂的制备工艺制备方法简单,无需加热煅烧。此外,本发明的光催化剂的制备工艺材料组分简单、廉价易得、实施过程简单、能耗较低、无二次污染,是一种可持续性较高的绿色环保合成工艺。
较佳地,所述Bi源为硝酸铋和/或氧化铋。
较佳地,所述混合溶液中铋离子浓度为0.01~0.2M。
本发明中,所述含有TM1的盐为TM1的碳酸盐、硫酸盐、硝酸盐、卤化物中的至 少一种,优选为TM1的卤化物,更优选TM1的氯化物。
本发明中,所述混合溶液中TM1离子的浓度为0.001M~0.1M,优选为 0.001M~0.02M。
本发明中,所述含有TM2的盐为TM2的碳酸盐、硫酸盐、硝酸盐、卤化物中的至 少一种,优选为TM2的卤化物,更优选TM2的氯化物。
本发明中,所述混合溶液中TM2离子的浓度为0.001M~0.05M,优选为 0.001M~0.01M。
另一方面,本发明反还提供一种合成氨的方法,即、上述光催化剂在合成氨中的应用,包括:在光源照射下,通入N2/H2O混合气体,利用权利要求1至7中任一项所述的光 催化剂,使得通入的H2O和N2发生反应形成NH3。
由于能够光激发下将水分解为氧气和H+离子,因此本发明的合成氨过程中无需添加 牺牲剂。通过掺杂多化学价态的过渡金属离子实现载流子的分离,多价态的过渡金属离子既 能够作为电子的捕获中心也能够作为空穴的捕获中。本发明的催化剂具有可见光响应能力, 能够使光催化固氮在可见光条件下完成。与不含有TM2组分的光催化剂相比,本发明的含 有TM2组分的光催化剂的氨产率显著提高,可以使合成氨产率提高4倍以上,并且含有 TM2组分的光催化剂有更长的荧光寿命。且而,本发明在催化剂的制备与合成氨过程中不 产生任何污染,是一种可持续性较高的绿色环保合成工艺。
较佳地,所述N2/H2O混合气体的N2/H2O的摩尔比为(10~100):1,流速为100~200ml/分钟。
较佳地,所述光源的照射功率为200~500W。
附图说明
图1是本发明实施例1中水热制备的BixTM1yTM2zOCl的XRD衍射图谱;
图2是本发明实施例1中水热制备的BixTM1yTM2zOCl的紫外可见吸收光谱;
图3是本发明实施例1中水热制备的BixTM1yTM2zOCl的透射电子显微镜;
图4是使用本发明实施例1中BixTM1yTM2zOCl合成氨的产量-时间图;
图5是有TM2组分(实施例1)和无TM2组分(对比例1)的光催化剂的合成氨效率对比 图;
图6是有TM2组分(实施例1)和无TM2组分(对比例1)的光催化剂的荧光寿命对比 图。
具体实施方式
以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明,应理解,下述实施方式仅用于说 明本发明,而非限制本发明。
本发明公开一种合成氨催化剂(及其制备方法)以及其制氨工艺。使用Bi源和含有过渡金属的盐为原料配置混合溶液,120~200℃反应合成BixTM1yTM2zOCl光催化剂,其 中TM1为Fe,Co,Ni中的至少一种过渡金属,TM2为Cu、Zn、Cr、Mn、Ti、V、W中的 至少一种过渡金属。Bi元素所占的化学计量比x范围为0.5<x<1,在满足x+y+z=1的范围 内TM1、TM2所占化学计量比任意。利用上述体系合成氨的方法包括利用上述光催化剂, 在光源照射下,通入N2/H2O混合气体,使其与光催化剂反应生成NH3。本发明材料组分简 单、廉价易得、可见光利用率高,同时适合宏量制备,具有应用前景。
本发明的BixTM1yTM2zOCl光催化剂中,0.5<x<1,优选0.5<x<0.7;0<y<0.5,优选0.2<y<0.4;0<z<0.5,优选0<z<0.1,三者满足x+y+z=1。以下,具体说明本发明的制备BixTM1yTM2zOCl光催化剂的方法以及使用该催化剂合成氨。
首先,按照化学计量比将Bi源、含有TM1的盐(TM1盐)、含有TM2的盐(TM2 盐)、水均匀混合,得到混合溶液。本发明中,Bi源可采用硝酸铋、氧化铋等可溶于水的Bi 源。混合溶液中铋离子浓度为0.01~0.2M,优选0.1~0.15。铋离子浓度为0.01~0.2M时, 具有合成产物分散性好、表面缺陷丰富的优点。
本发明中,TM1为过渡金属Fe,Co,Ni中的至少一种,优选为Fe,Co,Ni中的任意 一种。混合溶液中TM1离子的浓度为0.001M~0.1M,优选0.001~0.02M,更优选 0.001~0.005M。TM1离子浓度为0.001M~0.1M时,具有可均匀分散在材料晶格内,不易 团聚的优点。
本发明中,TM2为过渡金属Cu、Zn、Cr、Mn、Ti、V、W中的至少一种,优选 TM2为Cu、Zn、Cr、Mn、Ti、V、W中的任意一种,更优选Mn、Cr、Zn中的任意一 种。混合溶液中TM2离子的浓度为0.001M~0.05M,优选0.001~0.01M,更优选0.001~ 0.005M。TM2离子浓度为0.001M~0.05时,具有可均匀分散在材料晶格内,不易团聚的优 点。本发明中,可以采用磁力搅拌器搅拌混合Bi源、TM1盐、TM2盐,以使其完全溶解, 磁力搅拌的时间可以为1~2h。此外,本发明中,含有TM1的盐和含有TM2的盐可以是不 同的盐,也可以是同一种盐,换而言之,亦可将Bi源、含有TM1和TM2的盐、水混合得 到混合溶液。该情况下,上述混合溶液中各离子的浓度范围也适用。
接着,加入酸(例如盐酸)调节混合溶液的pH值,从而调控晶体的晶面,并使 (110)晶面暴露。具体地,调节混合溶液的pH值在1~3之间。酸的浓度为0.01M~0.1M 之间,由此可以确保材料合成后不发生团聚并易于回收。
接着,将pH值在1~3之间的混合溶液在一定温度下保温一段时间后降温。具体地,将混合溶液于120~200℃保温2~24小时。本发明中,可以采用水热的方式制备该光 催化剂。水热反应温度为120~200℃时,确保合成产物为纯相。
通过本发明的方法得到BixTM1yTM2zOCl光催化剂形貌为纳米片,粒径为5~300nm,优选5~20nm。本发明的BixTM1yTM2zOCl光催化剂的粒径为5~300nm时,具有较 大的比较面积并且能够分解水的优点。
本发明的光催化剂能够用于固氮合成氨,接下来,说明使用BixTM1yTM2zOCl光催化剂合成氨。具体地,利用该光催化剂合成氨的过程可以包括:利用上述光催化剂(例如将光催化剂分散在反应器里),在光源照射下,通入N2/H2O混合气体,使其与光催化剂反应生成NH3。N2/H2O混合气体中N2/H2O的摩尔比可以为(10~100):1。N2/H2O混合气体的流 速可以为100~200mL/分钟,优选150~200mL/分钟。所述光源的照射功率可以为200~ 500W。
本发明针对光催化固氮合成氨这一特定催化过程的不同反应历程,包括:氮气的激 活、光生载流子的分离、水分子的解离和氨的生成,设计出多组分BixTM1yTM2zOCl光催化剂及其催化和合成氨体系。本发明所涉光催化剂中的TM1、TM2组分协同作用,其在合成 氨中可以产生如下效果:提高材料对可见光的吸收、增强氮气的吸附和活化、实现多电子还原氮气过程、延缓光生载流子的复合、促进H2O分子的分解等。由于制备的材料能够在光 照射下分解水产生有活性的H+离子和氧气,本发明的合成氨过程中无需添加牺牲剂。
本发明的优点:
本发明合成出具有光催化合成氨功能的BixTM1yTM2zOCl光催化剂,避免使用贵金属;
本发明在合成氨的过程中避免了牺牲剂的添加;
本发明的催化剂具有可见光响应能力,能够使光催化固氮在可见光条件下完成,使其具有更 广阔的应用前景;
本发明在催化剂的制备与合成氨过程中不产生任何污染,是一种可持续性较高的绿色环保合 成工艺。
下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解,以下实施例只用于对本发 明进行进一步说明,不能理解为对本发明保护范围的限制,本领域的技术人员根据本发明的 上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参 数等也仅是合适范围中的一个示例,即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内 选择,而并非要限定于下文示例的具体数值。
实施例1
具有光催化固氮功能的BixTM1yTM2zOCl光催化剂的制备方法如下:
(1)加入1.5mmol的硝酸铋、0.5mmol氯化铁(TM1)以及0.5mmol的氯化锰(TM2)溶 于35ml去离子水中,在室温下通过磁力搅拌器实现均匀搅拌,直至其完全溶解;
(2)配置1M的盐酸溶液,并用其将上述溶液的pH值调节至2左右;
(3)将混合溶液转移至水热釜中,于150℃下保温4h,最后降温,得到粉体样品;
(4)清洗样品并保存。
对实施例1所制得Bi0.6Fe0.2Mn0.2OCl光催化剂进行表征。经XRD表征,所得Bi0.6Fe0.2Mn0.2OCl光催化剂无明显杂相,见图1;经过紫外可见吸收光谱表明,所制得的Bi0.6Fe0.2Mn0.2OCl存在可见光响应的能力,其禁带宽度在1.9eV左右,见图2。其透射电子 显微镜下观察到的形貌如图3所示,Bi0.6Fe0.2Mn0.2OCl为纳米片,其颗粒大小为30nm左 右。
对实施例1中所制得的Bi0.6Fe0.2Mn0.2OCl光催化剂进行合成氨表征
实验步骤包括:1.将实施例1中制得的光催化剂50mg分散在反应器中。2.向反应器中通入 N2/H2O混合气体,气体流速为200mL/分钟,N2/H2O的摩尔比为100:1,通入的气体总量 为9L。3.使用500W氙灯照射反应器中的光催化剂,使其发生光催化反应。4.以0.2mmol 酸性溶液作为NH3的吸收液,按照纳氏试剂分光光度法对NH3浓度检测。从图4可以看 出,氨产率表现出线性增加,其产率为1.2mmol/g·h。
对比例1
不含有TM2组分的光催化剂的制备方法。参考实施例1中的方法,不同之处在于:(1)加入1.5mmol的硝酸铋、1mmol氯化铁(TM1)溶于35ml去离子水中,在室温下通过磁力 搅拌器实现均匀搅拌,直至其完全溶解;其余步骤不变。
向对比例1中所制得的Bi0.6Fe0.4OCl进行合成氨表征,除光催化剂为Bi0.6Fe0.4OCl以 外,其余方法与实施例1中的一致。有无TM2组分的光催化剂的合成氨效率对比如图5所示。从图5可以看出,含有TM2组分的光催化剂的氨产率为75μmol/h,而不含有TM2组 分的光催化剂的氨产率为15μmol/h,可见TM2组分使原光催化剂的合成氨产率提高了4倍 左右。对比两者的荧光寿命图谱(图6)可以发现,含有TM2组分的光催化剂有更长的荧 光寿命,说明了载流子复合程度的降低。
实施例2
具有光催化固氮功能的BixTM1yTM2zOCl光催化剂的制备方法如下:
(1)加入1mmol的硝酸铋、0.1mmol FeCl2以及0.02mmol的MnCl2溶于35ml去离子水 中,在室温下通过磁力搅拌器实现均匀搅拌,直至其完全溶解;
(2)配置1M的盐酸溶液,并用其将上述溶液的pH值调节至2左右;
(3)将混合溶液转移至水热釜中,于150℃下保温4h,最后降温,得到粉体样品;
(4)清洗样品并保存。
对实施例2中所制得的Bi0.6Fe0.2Mn0.2OCl光催化剂进行合成氨表征
实验步骤包括:1.将实施例1中制得的光催化剂50mg分散在反应器中。2.向反应器中通入 N2/H2O混合气体,气体流速为200mL/分钟,N2/H2O的摩尔比为100:1,通入的气体总量 为9L。3.使用500W氙灯照射反应器中的光催化剂,使其发生光催化反应。4.以0.2mmol 酸性溶液作为NH3的吸收液,按照纳氏试剂分光光度法对NH3浓度检测。检测结果,氨产 率表现出线性增加,其产率为1.1mmol/g·h。
实施例3
具有光催化固氮功能的BixTM1yTM2zOCl光催化剂的制备方法如下:
(1)加入1.5mmol的硝酸铋、0.1mmol NiCl2(TM1)以及0.05mmol的CrCl3溶于35ml去 离子水中,在室温下通过磁力搅拌器实现均匀搅拌,直至其完全溶解;
(2)配置1M的盐酸溶液,并用其将上述溶液的pH值调节至2左右;
(3)将混合溶液转移至水热釜中,于150℃下保温4h,最后降温,得到粉体样品;
(4)清洗样品并保存。
对实施例3中所制得的Bi0.6Co0.3Cr0.1OCl光催化剂进行合成氨表征
实验步骤包括:1.将实施例1中制得的光催化剂50mg分散在反应器中。2.向反应器中通入 N2/H2O混合气体,气体流速为200mL/分钟,N2/H2O的摩尔比为100:1,通入的气体总量 为9L。3.使用500W氙灯照射反应器中的光催化剂,使其发生光催化反应。4.以0.2mmol 酸性溶液作为NH3的吸收液,按照纳氏试剂分光光度法对NH3浓度检测。检测结果,氨产 率表现出线性增加,其产率为0.6mmol/g·h。
Claims (9)
1.一种用于合成氨的光催化剂,其特征在于,所述光催化剂的化学组成为BixTM1yTM2zOCl,其中TM1为选自Fe, Co, Ni 中的至少一种的第一过渡金属,TM2 为选自Cu、Zn、Cr、Mn、Ti、V、W中的至少一种的第二过渡金属,0.5<x<1,0<y<0.5,0<z<0.5,x+y+z=1。
2.根据权利要求1所述的光催化剂,其特征在于,所述光催化剂的形貌为纳米片,颗粒大小为5~300 nm。
3.一种制备权利要求1或2所述的光催化剂的方法,其特征在于,所述方法包括:
按照化学计量比将Bi源、含有TM1的盐、含有TM2的盐、水均匀混合,得到混合溶液;
通过酸调节混合溶液的pH值在1~3之间;以及
将pH值在1~3之间的混合溶液于120~200 ℃保温2~24小时,得到所述光催化剂。
4.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,所述Bi源为硝酸铋和/或氧化铋;
所述混合溶液中铋离子浓度为0.01~0.2M。
5.根据权利要求3或4所述的方法,其特征在于,所述含有TM1的盐为TM1的碳酸盐、硫酸盐、硝酸盐、卤化物中的至少一种,优选为TM1的氯化物;所述混合溶液中TM1离子的浓度为0.001M~0.1 M。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的方法,其特征在于,所述含有TM2的盐为TM2的碳酸盐、硫酸盐、硝酸盐、卤化物中的至少一种,优选为TM2的氯化物;所述混合溶液中TM2离子的浓度为0.001M~0.05 M。
7.一种权利要求1或2所述的光催化剂在合成氨中的应用,其特征在于,包括:在光源照射下,通入N2/H2O混合气体,利用所述光催化剂,使得通入的H2O和N2发生反应形成NH3。
8.根据权利要求7所述的应用,其特征在于,所述N2/H2O混合气体的N2/H2O的摩尔比为(10~100):1,流速为100~200ml/分钟。
9.根据权利要求7或8所述的应用,其特征在于,所述光源的照射功率为200~500W。
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CN107282077A (zh) * | 2017-06-29 | 2017-10-24 | 福州大学 | 一种光催化固氮催化剂的制备方法及其应用 |
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