一种均相光催化剂将N2还原为NH3的方法技术

本发明专利技术属于能源材料及光催化技术领域，公开了一种均相光催化剂将N2还原为NH3的方法，选用碱性蓝6B作为光催化剂，配制浓度为0.1

【技术实现步骤摘要】
一种均相光催化剂将N2还原为NH3的方法


[0001]本专利技术属于能源材料及光催化
，具体涉及以碱性蓝6B作为光催化剂，将N2还原为NH3的方法。

技术介绍

[0002]众所周知，氮气(N2)在大气中含量丰富，但它却不能直接被大多数生物体所利用，而是从含氮化合物中获得氮元素。这是由于强非极性N≡N三键(键能945kJ/mol)使N2分子极其稳定，从而限制了N2分子的利用。目前，主要有三种固氮途径：(a)生物固氮；(b)工业固氮；(c)自然固氮。但工业固氮需要极其严苛的反应条件，并会导致大量温室气体和环境污染问题。受天然生物固氮合成NH3这一途径的启发，N2的活化在常温常压下进行，其能量来源于资源丰富的太阳能，不消耗任何的化石能源以及不涉及有害气体的排放，所以构建一个温和条件下光催化还原N2系统是非常可取的。
[0003]近日，中南大学王梁炳和中国科学技术大学张文华等[Xin Y,Wang S,Yuan H,et al.Chem,2021,7(8):2118
–
2136.]报道发现，硫掺杂的多孔Cu作为催化剂，S原子能够接受H原子形成S
‑
H氢键，通过该氢键的相互作用活化N2分子，也可给出H原子，实现N2的活化和转化。该催化过程无需牺牲剂，生成物NH3的产率达到157μmol
·
g
cat
‑1·
h
‑1。在氢键的作用下，催化剂能够非常有效的进行光催化还原N2反应，表现出了优异的催化活性。通过实验表征和DFT计算模拟，证实氢键相互作用有助于活化N2分子，有助于催化剂实现更高的催化性能。
[0004]基于上述分析，本专利技术提出活性染料2
‑
[4
‑
[双(4
‑
苯胺基苯基)
‑
羟甲基]苯胺基]苯磺酸钠(碱性蓝6B)作为模型催化剂，在实验上，通过调节溶液pH及浓度的方法将N2还原为NH3。基于碱性蓝6B作为染料具有良好的光稳定性和化学稳定性，并且在可见光区域有良好的响应光谱和吸收强度。因此，碱性蓝6B是比较理想的光催化剂。理论计算上，将碱性蓝6B、N2和H2O分子形成的氢键复合物视为一个整体，对其在光物理过程中N2分子的活化过程进行探究。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种利用染料分子均相光催化还原N2为NH3的方法。
[0006]本专利技术的技术方案：
[0007]一种均相光催化剂将N2还原为NH3的方法，选用碱性蓝6B作为光催化剂，配制浓度为0.1
‑
3.0mmol
·
L
‑1的光催化剂水溶液，并将其pH调节为5.0
‑
13.5；在常温常压下，将N2以鼓泡的方式通入反应体系，氙灯光源模拟为太阳光源，光照反应4h后得到产物NH3。
[0008]进一步，调节pH所用的碱性物质为碳酸氢钠、碳酸钠、氢氧化钠中的至少一种，优选碱性物质为氢氧化钠。
[0009]进一步，反应体系中的光催化剂浓度为0.8
‑
2.8mmol
·
L
‑1。
[0010]进一步，反应体系pH为7.0
‑
13.5。
[0011]进一步，将装有420nm滤波片的300W氙灯模拟太阳光源。
[0012]理论：本专利技术主要考虑一个碱性蓝6B分子与一个N2和一个H2O分子形成的氢键复合物构型，并对其在光物理过程中N2分子的活化过程进行探究。可简写为：
[0013][0014]该氢键复合物包含3个氢键，构成一个闭环模式，从而形成一个稳定的氢键复合物构型，为最有可能的氢键复合物的构型。
[0015]本专利技术的有益效果：本专利技术选用染料碱性蓝6B作为光催化剂，通过选择合适的浓度、pH和光照条件，成功将N2还原为NH3，该反应条件温和，且成本较低，不会涉及有害物质的产生。染料碱性蓝6B作为光催化剂，其具有合适的LUMO
‑
HOMO轨道电势，使反应可在无牺牲剂和光敏剂的条件下进行。
附图说明
[0016]图1是碱性蓝6B光催化还原N2的产物O2的分析质谱图。
[0017]图2是碱性蓝6B光催化还原N2的产物NH3和副产物H2的分析质谱图。
[0018]图3是NH3的产率随反应溶液pH的变化图。
[0019]图4是NH3的产率随反应溶液浓度的变化图。
具体实施方式
[0020]以下结合附图和技术方案，进一步说明本专利技术的具体实施方式。
[0021]实施例1
[0022]配置浓度为1.8mmol
·
L
‑1的碱性蓝6B溶液，分别采用碳酸氢钠、碳酸钠和氢氧化钠调整溶液的pH为13.5，将N2以鼓泡的方式通入反应体系30min，然后，光照2h，采用纳氏试剂分光光度法法检测产物NH3。NH3的产量为64.2μmol
·
L
‑1·
h
‑1。
[0023]实施例2
[0024]分别采用碳酸氢钠、碳酸钠及氢氧化钠调节溶液酸的pH为7、9、11、13、13.5，其他同实施例1。当溶液pH＝7时，NH3的产量为4.1μmol
·
L
‑1·
h
‑1；当溶液pH＝9时，NH3的产量为35.4μmol
·
L
‑1·
h
‑1；当溶液pH＝11时，NH3的产量为52.2μmol
·
L
‑1·
h
‑1。当溶液pH＝13.5时，NH3的产量为95.2μmol
·
L
‑1·
h
‑1。故催化剂的最优pH为13.5。
[0025]实施例3
[0026]配置合适催化剂浓度，然后，分别稀释至0.8mmol
·
L
‑1、1.3mmol
·
L
‑1、1.8mmol
·
L
‑1、2.3mmol
·
L
‑1、2.8mmol
·
L
‑1。采用氢氧化钠调节溶液pH，其他同实施例1。当催化剂浓度为0.8mg
·
L
‑1时，NH3的产量为37.8μmol
·
L
‑1·
h
‑1；当催化剂浓度为1.3mg
·
L
‑1时，NH3的产量为53.6μmol
·
L
‑1·
h
‑1；当催化剂浓度为1.8mg
·
L
‑1时，NH3的产量为64.2μmol
·
L
‑1·
g
‑1·
h
‑1当催化剂浓度为2.3mg
·
L
‑1时，NH3的产量为55.8μmol
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种均相光催化剂将N2还原为NH3的方法，其特征在于，选用碱性蓝6B作为光催化剂，配制浓度为0.1
‑
3.0mmol
·
L
‑1的光催化剂水溶液，并将其pH调节为5.0
‑
13.5；在常温常压下，将N2以鼓泡的方式通入反应体系，氙灯光源模拟为太阳光源，光照反应4h后得到产物NH3。2.根据权利要求1所述的均相光催化剂将N2还原为NH3的方法，其特征在于，调节pH所用的碱性物质为碳酸氢钠、碳酸钠、氢...

【专利技术属性】
技术研发人员：郝策，王元元，李光兰，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
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