[发明专利]一种硫化铋复合钽铌酸钾催化剂及该催化剂的制备方法与应用

说明书

本发明涉及一种硫化铋复合钽铌酸钾催化剂及该催化剂的制备方法与应用，所述催化剂的通式为x％Bi₂S₃/KTa_0.75Nb_0.25O₃，其中，x为催化剂中Bi₂S₃与KTa_0.75Nb_0.25O₃的摩尔比，0.1≤x≤5。本发明将KTa_0.75Nb_0.25O₃材料应用于压电催化和光催化固氮，在超声振动或光照的作用下将N₂催化还原为氨。Bi₂S₃的负载则进一步提高了KTa_0.75Nb_0.25O₃的压电催化和光催化合成氨性能。

技术领域

本发明涉及光、机械震动联合催化剂材料领域，具体涉及一种硫化铋复合钽铌酸钾催化剂及该催化剂的制备方法与应用。

背景技术

作为一种理想的绿色燃料，H₂被认为是未来化石能源的替代品。然而，高昂的生产成本和储运的困难极大地限制了其应用前景。氨由一个氮原子和三个氢原子组成，易于分解为氮气和氢气，并具有易液化的特性，因此被认为是比H₂更好的氢能载体。然而，与氢气一样，氨也面临着高生产成本的问题。目前，工艺是工业上使用最广泛的合成氨工艺，但其高温，高压反应条件以及生产过程中产生的大量温室气体显然与可持续发展的要求不符。因此，寻求一种绿色、节能、高效的合成氨方法值得研究。

1977年首次报道了使用光能和半导体催化剂进行固氮，这与生物固氮相似，具有反应条件温和，能耗低和零碳排放的优点。得益于这些优势，已生产出一系列半导体材料，例如g-C₃N₄(J.Mater.Chem.A 2015,3：23435-23441)，ZnO(J.Phys.Chem.C 2010,114：2622-2632)，和KNbO₃(ACS Sustain.Chem.Eng.2019,7：12408-12418)，并在光催化固氮领域进行了广泛研究。最近，发明人团队合成了一种高效的催化剂KTa_0.75Nb_0.25O₃(KTN)固溶体，用于光催化氢气的释放(Fuel 2019，241：1-11)。与KNbO₃相比，合成的KTN固溶体的导带更宽，位置更负，表明KTN中的光生电子具有更强的还原性和更好的迁移率。以上两个优点使KTN固溶体具有更高光催化制H₂性能。同时，这表明KTN可能是光催化固氮的潜在有效催化剂，基于KTN的复合材料的设计和制备是实现高效光催化固氮的可行方法。Bi₂S₃是具有窄带隙和良好的可见光响应的层状金属硫化物。它作为助催化剂的装饰可以提高电子-空穴分离效率和/或增加光响应范围，这已在许多复合光催化剂中得到验证。Bi₂S₃对KTN呈现合适的能带势，表明它也是KTN的适合的助催化剂。就我们所知，还没有关于Bi₂S₃/KTN的光催化N₂固定研究的报道。