[发明专利]具有丰富氧空位的铁钨氧化物光催化剂及制备和固氮应用

说明书

本发明公开具有丰富氧空位的铁钨氧化物光催化剂及制备和固氮应用。将WS₂分散在水溶液中，分散成WS₂悬浊液，超声剥离1‑5小时，得到较为分散的WS₂；再逐滴加入FeCl₃水溶液，水浴蒸干，置于200‑600℃马弗炉中进行煅烧2‑6h。本发明将前驱体煅烧后原本与钨配位的两个硫换成了三个氧，因此容易出现晶格畸变。这样的畸变会使得催化剂表面的空位大大增加，这些位点有利于氮气在这些位点进行吸附和活化。另一方面，铁的掺入，一定程度上也加剧了晶格畸变的发生，增加了氧空位浓度。同时铁具备3d空轨道，可以增加电子的传输能力，增加光电子寿命，抑制光生电子空穴对的复合，提高电子利用率。

技术领域

本发明属于光催化材料领域，具体涉及一种具有丰富氧空位的铁钨氧化物光催化剂及制备和固氮应用。

背景技术

空气中氮气含量占比最大，但由于其大的键能(N≡N≈960kJ/mol)一直被认为是不活泼的气体。工业上一直沿用Habor-Bosch法高温高压法将氮气转化成铵根。该法固氮效率确实很高，但也同时需要燃烧大量的化石燃料，将加重环境温室效应。因此迫切需要开发一些新的符合可持续发展的新技术来逐步缓解甚至替代传统的固氮方法。目前电催化和光催化以其绿色环保，符合可持续发展，成为了研究的热点。与此同时，光催化输入的能量为取之不尽用之不竭的太阳光，更具有研究意义，也存在固有的挑战性。

在大多数的光催化固氮催化剂中都存在产生电子-空穴对所需能量高、光生电子寿命短、电子容易湮灭、没有充分活性位点中的一种或多种弊端。这些弊端将直接影响固氮效率。为了解决上述技术问题，本发明提供了一种铁钨氧化物光催化剂的制备及在固氮方面的应用。在本发明中设计了一种具有丰富氧空位的钨氧化物，提供氮气吸附位点。并在其中掺入一定量的过渡金属铁，提高电子转移效率和利用率，使得氮气可以成功活化。本发明的光催化剂用可见光驱动，在常温常压的水溶液中不需额外加牺牲试剂，就可以实现氮气的固定。且本发明中的催化剂制备简单，价格低廉，有好的应用前景。

发明内容

本发明的第一个目的是针对现有技术的不足，提供一种具有丰富氧空位的铁钨氧化物光催化剂的制备方法。

该方法具体是：

步骤(1).将0.1-10mmol WS₂分散在水溶液中，分散成WS₂悬浊液，然后在超声机里超声剥离1-5小时，得到较为分散的WS₂；再逐滴加入0.005-0.5mol/LFeCl₃的水溶液，水浴蒸干，得到前驱体；

所述WS₂与FeCl₃的摩尔比为(1.0-8.0)：1；

步骤(2).将前驱体在200-600℃马弗炉中进行煅烧2-6h。

本发明将前驱体煅烧后原本与钨配位的两个硫换成了三个氧，因此容易出现晶格畸变。这样的畸变会使得催化剂表面的空位大大增加，这些位点有利于氮气在这些位点进行吸附和活化。另一方面，铁的掺入，一定程度上也加剧了晶格畸变的发生，增加了氧空位浓度。同时铁具备3d空轨道，可以增加电子的传输能力，增加光电子寿命，抑制光生电子空穴对的复合，提高电子利用率。

在氮气转化成铵根的过程中，氮气首先吸附在催化剂的表面空位上。因此氧空位含量越高，氮气在催化剂表面吸附量越大。光催化剂在光的激发下产生电子空穴对，这些电子可以通过催化剂和铁快速传输到吸附在催化剂表面的氮气中，活化氮气。通过电子输入氮气逐步被活化，结合水中的质子氢，最后变成铵根。

本发明的第二个目的是提供具有丰富氧空位的铁钨氧化物光催化剂，采用以上方法制备得到。所述催化剂微观呈片状六边形结构，其表面粗糙，表面呈现小颗粒状，六边形厚度约为100nm。