[发明专利]多孔氮掺杂碳纳米纤维分散镍与磷化钼的光催化剂及其制备和应用

说明书

本发明涉及一种多孔氮掺杂碳纳米纤维分散镍与磷化钼的光催化剂及其制备和应用，该制备方法包括以下步骤：(1)取MoCl₅、Ni(NO₃)₂·6H₂O、PS和PAN加热溶于DMF中，得到纺丝液；(2)将纺丝液通过静电纺丝制备得到碳纤维膜；(3)将碳纤维膜置于管式炉中，先采用次磷酸钠预磷化，再煅烧碳化，即得到目的产物。本发明制得的催化剂具有较宽的光吸收范围，其在可见光下还原二氧化碳(CO₂)能力极大提高，且表现出优异的将CO₂还原为一氧化碳(CO)的选择性，同时该光催化剂具有低电阻率，快速转移载流子的能力，高光生载流子分离能力，低载流子重组率，以及良好的还原CO₂循环稳定性等特点等。

技术领域

本发明属于光催化材料技术领域，涉及一种多孔氮掺杂碳纳米纤维分散镍与磷化钼的光催化剂及其制备和应用。

背景技术

随着人们对化石燃料的过度使用和严重的气候变化的日益关注，二氧化碳(CO₂)的过量排放促使人们减少CO₂的排放量，开发新能源以缓解不可再生能源的消耗。因此，将二氧化碳转化为有益的化学品或燃料，以减少二氧化碳的排放量，具有重要的现实意义和紧迫性。特别是，太阳能直接驱动的二氧化碳减排，将作为一种可再生的原料，以合成增值化学品和碳基燃料的形式，如一氧化碳(CO)、甲烷(CH₄)和乙烯(C₂H₂)，是解决当前环境挑战和实现真正的碳循环的一个很有前途的战略。太阳能光催化CO₂还原是一条极具应用前景的生产化学原料作为燃料前体的途径，可以缓解全球能源危机，同时降低大气中的CO₂浓度。在过去的十年里，人们已经进行了大量的研究来开发新的策略来模拟光合作用，即大自然利用太阳能固定大气中的CO₂，在温和的条件下利用水作为还原剂将其还原为能量丰富的碳水化合物。因此，设计高效的光催化剂至关重要。高效的光催化剂需要具备强大的光捕获能力、强大的氧化还原潜力、高电荷分离以及优异的循环性能。因此研究人员致力于寻找高性能、低成本的光催化剂，用于还原CO₂。

光催化CO₂还原为捕捉CO₂废气、将清洁廉价的光能转化为燃料/能量分子等化学能提供了具有前景的方案，目前大多数光催化相关改善反应选择性、提高反应活性的相关研究通常和金属态相关的特定结构，比如晶面、形貌、原子缺陷等。以H₂O为电子源的太阳能光催化CO₂转化技术面临的两个主要问题是效率低和产物选择性不足，特别是对高附加值化学品的选择性不足。除了反应的高吸热性外，低产出率的主要原因包括使用的光催化剂为宽禁带半导体，这种半导体通常能够获得仅相当于太阳光谱～4％的紫外光，同时具有较高的电子-空穴复合速率。此外，常见的可见光催化剂，如二氧化钛、硫化物、硒化物、碳化物或氮化物，由于反应介质中的光腐蚀作用，不能满足同时进行CO₂还原和H₂O氧化所需的热力学势，或者在反应条件下存在严重的稳定性问题。目前，尽管在光照下可直接使用半导体光催化剂还原CO₂，但效率以及选择性依然很低。

碳基底作为第一周期过渡金属复合物催化剂的支撑基底，能够驱动溶液相环境中光化学CO₂还原为CO，而且具有优异的催化反应活性和选择性。但是此类催化剂在光照条件中，寿命非常低，而且催化剂的失活机理难以解释。

磷化钼(MoP)是一种类金属半导体，具有独特的电子结构，且对于CO₂还原表现出有希望的活性，但是通常的MoP比表面积小，对CO₂的吸附能力有限，进而使其光催化CO₂还原性能收到了限制。另外，镍表现出优异的CO₂还原性能，已广泛用于太阳能光催化转化中。MoP有以下问题限制了其应用：(1)可见光活性差，(2)光诱导产生的电子-空穴对极易重组，(3)比表面积小，且活性位点有限；(4)还原产物选择性差。