[发明专利]水滑石基光催化剂用于光催化氮气加水制备氨的应用

说明书

本发明公开了基于水滑石基光催化剂用于光催化氮气加水制备氨的应用，所述水滑石基光催化剂的分子式为：其中M²⁺＝Mg²⁺,Ni²⁺,Cu²⁺,Zn²⁺；M³⁺＝Al³⁺,Cr³⁺。本发明首次实现了采用水滑石基光催化剂制备氨，所使用水滑石基光催化剂成本低廉，制备简便，工艺简单，易于大规模生产，且氨的产量高，有望进行工业推广。

技术领域

本发明涉及光催化技术领域，具体涉及水滑石基光催化剂用于光催化氮气加水制备氨的应用。

背景技术

氨是重要的无机化工产品之一，合成氨工业在国民经济中占有重要地位。除液氨可直接作为化肥外，农业上使用的氮肥，例如：尿素、硝酸铵、磷酸铵、氯化铵以及各种含氮复合肥，都是以氨为原料的。合成氨是大宗化工业品之一，世界每年合成氨产量已达到1亿吨以上，其中约有80％的氨用于化学肥料，20％用于作为其它化工产品原料。同时，所有生物体都需要氮元素来建立蛋白质、核酸和许多其他生物分子。虽然占地球气候的78％左右，但分子形式的氮因其强大而无法用于大多数生物体非极性N-N共价三键朝向离子化，负电子亲和力，高电离能等。因此，通过经典的Haber-Bosch工艺将N₂固定在NH₃上必须在铁基催化剂存在的条件下，在苛刻的反应条件下进行(15-25MPa，300-550℃)。同时提供反应条件需消耗世界能源供应的1-2％，每年产生2.3吨的二氧化碳。到目前为止，用于NH₃合成的原料氢气主要来自甲烷的重整，其占世界年度天然气产量的3-5％，也释放大量的二氧化碳。然而，当前环境污染和能源短缺是困扰人类可持续发展的难题。随着人类对能源需求的日益增加，石油资源的日益耗竭，环境压力越来越大。鉴于化石燃料短缺和全球气候变化，通过减少能源需求过程的固氮是一项具有挑战性和长期性的目标。利用太阳能光催化技术将太阳能转化为化学能，已被认为是解决未来可再生能源的最佳途径之一。

水滑石是一类独特的层状阴离子型化合物，其主体层板结构类似于水镁石Mg(OH)₂，层板为八面体MO₆共棱边，金属离子占据八面体中心，由于主体层板的元素组成可调，层间客体的可调控性，水滑石在催化、载体和功能材料方面有诸多应用。

发明内容

本发明的目的在于提供水滑石基光催化剂用于光催化氮气加水制备氨的应用。本发明基于水滑石的层状结构及层板二价和三价金属离子的比例可调控性，通过成核晶化隔离法制备超薄的水滑石基光催化剂，并首次将此水滑石基光催化剂应用于光催化合成氨反应中。

为实现以上目的，本发明采用下述技术方案：

水滑石基光催化剂用于光催化氮气加水制备氨的应用，所述水滑石基光催化剂的分子式为：

其中M²⁺＝Mg²⁺,Ni²⁺,Cu²⁺,Zn²⁺；

M³⁺＝Al³⁺,Cr³⁺。

本发明提供一种优选方案，水滑石基光催化剂用于光催化氮气加水制备氨的应用，将水滑石基光催化剂加入到装有水的反应装置中，充入氮气，光照进行反应。

更具体地，包括以下步骤：

1)将水滑石基光催化剂和水分别加入反应装置中，使水滑石基光催化剂在水中分散均匀；

2)将步骤1)的反应装置抽真空至负压；

3)向步骤2)处理的反应液中通入氮气至常压，再向反应溶液中继续通氮气0.5-5小时，使反应液中溶解氮达到饱和状态；