碱土金属配位修饰鼓泡状多孔g-C3N4纳米片光催化剂合成及应用制造技术

本发明专利技术涉及催化剂技术领域，且公开了碱土金属Ca配位修饰鼓泡多孔g

【技术实现步骤摘要】
碱土金属配位修饰鼓泡状多孔g
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C3N4纳米片光催化剂合成及应用


[0001]本专利技术涉及催化剂
，尤其涉及碱土金属配位修饰鼓泡状多孔 g
‑
C3N4纳米片光催化剂合成及应用。

技术介绍

[0002]与现有的能源密集型哈伯
‑
博施法相比，光催化氮还原反应 (photocatalytic N
2 reduction reaction，pNRR)成为了近年来一个比较前沿兼绿色环保的研究领域。光催化固氮合成NH3是一种充分利用半导体催化剂将清洁太阳能转化的过程，将会对实现CO2低碳减排做出巨大贡献。
[0003]近年来，d区过渡金属的d轨道作为N2分子活性位点开发了一系列固氮合成氨光催化剂。这是由于过渡金属空的d轨道可以接收N2分子中的孤对电子，并且占据d轨道的电子对又可以捐赠电子到N2分子的反馈π键中，这种d
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p 反馈π键相互作用可以削弱N≡N键。此外，基于p区非金属硼族元素也被报道具有活化N2分子的能力。2018年，德国维尔茨堡大学的硼化学大师HolgerBraunschweig教授利用主族硼宾(borylene)化合物以“类似过渡金属的方式”实现了N2分子的活化。随后，Braunschweig等人再次设计并合成了位阻更大的硼宾化合物，在较为温和的条件下实现了对N2的二聚还原偶联反应，得到了含有四个氮原子的[N4]2‑
链。然而，元素周期表中s区金属元素在催化领域应用研究迄今很少受到关注。在分子层面利用s区元素化合物对氮气进行活化一直是科学界的难题。解决这个难题可以实现固氮合成氨研究领域的突破性进展。2021年，德国纽伦堡大学的Sjoerd Harder教授联合南京工业大学和德国马尔堡菲利普大学的Gernot Frenking教授课题组利用低价钙配合物实现了N2分子的活化，证实了s区元素钙可以像过渡金属利用其空d轨道配位一样的方式参与N2小分子的活化。紧接其后，Chen等利用同步辐射的手段证实了多孔类石墨相碳掺杂的单原子Ca与载体中的N、O可以有效配位，并且通过DFT计算证明了其作为高ORR电催化活性归因于元素Ca独特的p轨道电子结构促进了ORR中间体的吸附和电子转移。紧接着，中南大学刘敏教授团队报道了一种负载在氮化碳上的s区元素镁(Mg)单原子可以高效地将 CO2电催化还原为一氧化碳(CO)。该工作通过理论结合实验揭示了s区单原子催化剂在CO2电还原的优势，并将s区单原子离域化轨道与d区单原子局域化轨道理论成功应用于电催化CO2转化中，为创新设计s区金属元素固氮合成氨这一类催化剂提供了新的指导。
[0004]研究背景及工作调研发现，碱土金属元素在光催化固氮研究还未专利技术。同时石墨碳环能稳定配位Ca原子，恰恰g
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C3N4是类石墨碳结构的优良吸收可见光的半导体材料。因此，利用Ca单原子配位修饰多孔C3N4来实现Ca活性位点的最大化效益，极大促进g
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C3N4的利用太阳光催化N2还原成NH3的应用。

技术实现思路

[0005](一)解决的技术问题
[0006]针对现有技术的不足，本专利技术提供了碱土金属配位修饰鼓泡状多孔g
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C3N4纳米片光催化剂合成及应用，具备运用s区碱土金属构建丰富N2吸附结合位点以最优化pNRR活性，材料合成操作过程简单，可行性强等优点，用于解决现有技术中还没有碱土金属族元素在pNRR领域的研究的问题。
[0007](二)技术方案
[0008]本专利技术提供如下技术方案：碱土金属Ca配位修饰鼓泡多孔g
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C3N4纳米片光催化剂的合成方法，包括以下步骤：
[0009]S1、制备鼓泡多孔g
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C3N4纳米片结构(记作pure C3N4)；
[0010]S2、碱土金属Ca配位修饰鼓泡多孔g
‑
C3N4纳米片光催化剂制备(记作 Ca/m
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C3N4)。
[0011]在一种可能的实施方式中，所述S1中鼓泡多孔g
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C3N4纳米片结构制备，具体如下，分别称量一定的三聚氰酸(1.0
‑
5.0g)和三聚氰胺(0
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1.0g)，然后加入适量的乙醇，充分研磨混合均匀。
[0012]在一种可能的实施方式中，随后将充分研磨的混合物放入管式炉中，氮气氛围下经历两阶段温度煅烧。
[0013]在一种可能的实施方式中，待其降到室温后，将所得的淡黄色块体产物用研钵磨成粉末，即可制得多孔g
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C3N4纳米鼓泡状材料(pure C3N4)。
[0014]在一种可能的实施方式中，所述S2中碱土金属Ca配位修饰鼓泡多孔 g
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C3N4纳米片光催化剂制备，具体如下，称取一定量二水氯化钙(30mg、50mg、 100mg、200mg)溶解在60ml超纯水中，随后将S1制备的pure C3N4均匀分散到其中，超声混合1.0h。
[0015]在一种可能的实施方式中，强烈搅拌动态吸附一定时间，随后过滤分离沉淀物，用大量超纯水和乙醇洗涤数次，60℃下真空干燥过夜。
[0016]在一种可能的实施方式中，S2的干燥后，还包括后续的充分研磨粉末，之后低温稳定煅烧：空气中200℃
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400℃煅烧1.0h，升温速率为2.0℃/min。
[0017]第二方面，碱土金属Ca配位修饰鼓泡多孔g
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C3N4纳米片光催化剂的应用，能够进行研究碱土金属Ca配位修饰鼓泡多孔g
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C3N4纳米片光催化剂外，也对s区同一碱土金属族(除了Be、Ra)影响N2还原活性进行了研究，在一定程度上启发碱土金属族(Mg、Ca、Sr、Ba)可以作为N2的有效活性位点的研究。
[0018]与现有技术相比，本专利技术提供了碱土金属配位修饰鼓泡状多孔g
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C3N4纳米片光催化剂合成及应用，具备以下有益效果：
[0019]1、本专利技术将s区碱土金属Ca与多孔g
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C3N4配位，利用Ca来作为N2分子活化位点，将类石墨相的碳环来稳定配位Ca，恰好g
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C3N4拥有类似的环结构，并且g
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C3N4能有效利用太阳光；同时通过煅烧g
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C3N4载体产生的多孔结构也更有利于稳定单分散金属，避免金属烧结，从而实现Ca活性位点的最大化效益，促进g
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C3N4的利用太阳光催化N2还原成NH3的应用。
[0020]2、本专利技术除了研究碱土金属Ca配位修饰鼓泡多孔g
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C3N4纳米片光催化剂外，也对s区同一碱土金属族(除了Be、Ra)影响N2还原活性进行了研究，在一定程度上启发碱土金属族(除了Be、Ra外)可以作为N2的有效活性位点的研究。
[0021]3、本专利技术通过动态搅拌吸附控制材料合成，操作过程简单，可行性强。应当注意的是，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.碱土金属Ca配位修饰鼓泡多孔g
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C3N4纳米片光催化剂的合成方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、制备鼓泡多孔g
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C3N4纳米片结构(记作pure C3N4)；S2、碱土金属Ca配位修饰鼓泡多孔g
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C3N4纳米片光催化剂制备(记作Ca/C3N4)。2.根据权利要求1所述的碱土金属Ca配位修饰鼓泡多孔g
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C3N4纳米片光催化剂的合成方法，其特征在于，所述S1中鼓泡状多孔g
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C3N4纳米片结构制备，具体如下，分别称量一定的三聚氰酸(1.0
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5.0g)和三聚氰胺(0
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1.0g)，然后加入适量的乙醇，充分研磨混合均匀。3.根据权利要求2所述的碱土金属Ca配位修饰鼓泡多孔g
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C3N4纳米片光催化剂的合成方法，其特征在于，随后将充分研磨的混合物放入管式炉中，氮气氛围下经历两阶段温度煅烧。4.根据权利要求3所述的碱土金属Ca配位修饰鼓泡多孔g
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C3N4纳米片光催化剂的合成方法，其特征在于，待其降到室温后，将所得的淡黄色块体产物用研钵磨成粉末，即可制得多孔g
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C3N4纳米气泡状材料(pure C3N4)。5.根据权利要求1所述的碱土金属Ca配位修饰鼓...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩冬雪，潘国亮，牛利，张文生，黄丽锟，
申请(专利权)人：广州大学，
类型：发明
国别省市：