一种硅藻土-表面钴掺杂纳米黄铁矿复合材料及其制备和应用制造技术

本发明专利技术公开了一种硅藻土

【技术实现步骤摘要】
一种硅藻土
‑
表面钴掺杂纳米黄铁矿复合材料及其制备和应用


[0001]本专利技术属于光催化氮气还原催化剂
，具体涉及一种用于光催化氮气还原的硅藻土
‑
表面钴掺杂纳米黄铁矿复合材料及其制备和应用。

技术介绍

[0002]氨(NH3)的能量密度高，是一种重要的清洁能源载体和绿色燃料。然而，NH3的生产较为困难，到目前为止，工业上合成氨的方法主要是基于Haber
‑
Bosch工艺，使用N2与H2在高温高压上进行反应合成NH3，这种方法能耗高(占全球年供应量的1％)，二氧化碳排放量大(占全球二氧化碳产量的1.6％)。因此，开发一种能在常温常压下低能耗生产NH3的方法具有重要意义。
[0003]光催化法利用半导体作为催化剂，在太阳光的照射下，将N2转化为NH3，是一种绿色环保和低成本的方法。目前已成功开发的光催化剂有Fe2O3、TiO2、ZnO和BiO2‑
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‑
C3N4纳米片复合材料等。在光催化剂的开发和应用中，主要存在的问题有：催化剂的可见光的吸收率低、光生电子
‑
空穴容易复合、制备复杂和成本相对较高等问题，这些问题阻碍了其大规模的工业应用。
[0004]黄铁矿(FeS2)是地球上最常见的硫化物矿物，其禁带宽度为0.95eV，是一种同时具备廉价和高潜力的光催化材料。未经修饰的纯黄铁矿不能光催化N2转化成NH3，需要在黄铁矿表面进行修饰，如掺杂钴离子，将可能赋予黄铁矿光催化N2转化成NH3的能力，而在修饰过程中，将光催化剂负载到硅藻土上，将可能进一步地提高光催化效率。
[0005]鉴于此，本专利技术设计了两步水热合成法，以初步合成的纳米FeS2结构为前驱体材料，在其表面进行钴离子掺杂，同时负载到硅藻土上。通过调控反应过程温度，控制加入硅藻土
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黄铁矿的比例和反应时间等条件，制备了硅藻土
‑
表面钴掺杂纳米黄铁矿复合材料。

技术实现思路

[0006]本专利技术的首要目的是提供一种简单易操作的制备硅藻土
‑
表面钴掺杂纳米黄铁矿复合光催化材料的方法。该材料在可见光催化氮气还原
是首次报道，在N2转化NH3反应中具有较高的催化效率。
[0007]一种硅藻土
‑
表面钴掺杂纳米黄铁矿复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0008](1)将硫酸钴，溶于沸点在180
‑
300℃能够溶解硫酸钴，且不参与反应的有机溶剂中，加入FeS2纳米粉末和硅藻土(直径30
‑
50μm)，混合均匀；
[0009](2)将混合溶液转移至反应釜，进行水热反应后，分别使用稀硫酸，二硫化碳洗涤，然后依次采用无水乙醇和蒸馏水洗涤，进行烘干后得到的硅藻土
‑
表面钴掺杂纳米黄铁矿复合材料。
[0010]上述方法中的溶剂需要满足：提供一个疏水和隔离空气的反应环境，且沸点在180
‑
300℃，使得反应不受外界干扰，保证反应的发生；能够溶解硫酸钴。
[0011]上述方法中Co离子的掺杂比例(钴/FeS2)为1％
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7％，优选4
‑
6％，进一步优选5％，所述的有机溶剂优选醇类，进一步优选乙二醇。
[0012]上述方法中稀硫酸用于洗涤掉乙二醇以及反应过程中可能产生的有机物；二硫化碳用于洗涤反应中可能存在的硫元素；无水乙醇用于洗掉二硫化碳；蒸馏水用于洗掉无水乙醇，且将体系的pH恢复至中性。经过了这几步的洗涤，产物才能得到一个比较干净的表面。
[0013]所述的方法，步骤(1)中所用的质量比为硅藻土/FeS2＝20％～300％，优选40
‑
80％，进一步优选50％。乙二醇的量能够足够溶解反应物，让反应正常进行即可，并优选按FeS2/乙二醇＝9％的固液比加入乙二醇。
[0014]所述的方法，步骤(2)水热反应是在120
–
200℃下进行反应12
–
30h。
[0015]所述的方法，步骤(2)水热反应升温速度为5
–
10℃/min，真空烘干温度为50
‑
80℃，时间为6
–
12h。
[0016]所述的方法，步骤(1)中FeS2纳米粉末的粒径优选200
‑
600nm；其制备包括以下步骤：
[0017]1)称取FeSO4、Na2S2O3，加入沸点在180
‑
300℃能够溶解FeSO4，且不参与反应的有机溶剂中，超声搅拌均匀后，加入硫粉，超声搅拌；
[0018]2)将步骤1)中溶液转移到反应釜中，进行水热反应后，分别使用稀硫酸，二硫化碳洗涤，然后依次采用无水乙醇和蒸馏水洗涤，进行烘干后得到FeS2纳米粉末。
[0019]所述的方法，步骤2)水热反应在120
–
200℃下进行反应12
–
30h。
[0020]所述的方法，步骤2)水热反应升温速度为5
–
10℃/min，真空烘干温度为50
‑
80℃，时间为6
–
12h。
[0021]所述的方法，优选：步骤1)按FeSO4·
7H2O/Na2S2O3＝1.76称取FeSO4·
7H2O和Na2S2O3各13.9g、7.9g，加入乙二醇(固液比FeSO4·
7H2O/乙二醇＝0.41)，超声(120w,15
–
30min)搅拌均匀后，加入硫粉(FeSO4·
7H2O/硫粉＝17.4)，超声(120w,30
–
60min)搅拌。
[0022]本专利技术还提供了上述制备方法制得的硅藻土
‑
表面钴掺杂纳米黄铁矿复合材料。
[0023]本专利技术还提供了所述的硅藻土
‑
表面钴掺杂纳米黄铁矿复合材料的应用。所述的硅藻土
‑
表面钴掺杂纳米黄铁矿复合材料作为氮气还原的光催化材料。
[0024]具体的，所述应用的方法为：将所述硅藻土
‑
表面钴掺杂纳米黄铁矿复合材料10mg均匀分散于80ml水中，通入氮气半小时后，加入光照进行光催化实验。所用模拟太阳光的光源为300W，380
‑
800nm的氙灯。
[0025]本专利技术的优越性如下：
[0026]只有按照本专利技术的步骤和条件才能合成得到硅藻土
‑
表面钴掺杂纳米黄铁矿的新型光催化材料。在合成技术上，合成条件和方法简单，操作简单，易于控制；在光催化效果上，所得硅藻土
‑
表面钴掺杂纳米黄铁矿光催化材料，光响应范围较宽，光生电子
‑
空穴对复合速度慢，有效N2活化位点多，因此对光催化N2转化NH3具有高的催化效率。
附图说明
[0027]图1本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硅藻土
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表面钴掺杂纳米黄铁矿复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将硫酸钴，溶于沸点在180
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300℃能够溶解硫酸钴，且不参与反应的有机溶剂中，加入FeS2纳米粉末和硅藻土，混合均匀；(2)将混合溶液转移至反应釜，进行水热反应后，分别使用稀硫酸，二硫化碳洗涤，然后依次采用无水乙醇和蒸馏水洗涤，进行烘干后得到的硅藻土
‑
表面钴掺杂纳米黄铁矿复合材料。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所用的质量比为钴/FeS2＝1％
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7％，硅藻土/FeS2＝20％～300％。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)水热反应是在120
–
200℃下进行反应12
–
30h。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)水热反应升温速度为5
–
10℃/min，真空烘干温度为50
‑
80℃，时间为6
–
12h。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中F...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏金兰，郑兴福，聂珍媛，刘红昌，张多瑞，陈红瑞，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：