一种合成氨用Ni3B/氮空位氮化碳纳米片光催化剂的制备方法技术

本发明专利技术属于绿色化学品开发和新材料制备领域，公开了一种合成氨用Ni3B/氮空位氮化碳纳米片光催化剂(Ni3B/V

【技术实现步骤摘要】
一种合成氨用Ni3B/氮空位氮化碳纳米片光催化剂的制备方法


[0001]本专利技术涉及一种合成氨用Ni3B/氮空位氮化碳(V
N
‑
CN)复合纳米光催化材料(Ni3B/V
N
‑
CN)的制备方法，属于绿色化学品开发和新材料制备领域。
技术背景
[0002]氨作为生产最多的商用化学品之一，对现代经济发展至关重要。目前工业合成氨的首选方法仍然是传统的Haber
‑
Bosch法，该工艺需要高纯度的N2和H2在高温(300
‑
600℃)和高压(150
‑
300atm)条件下进行反应，导致巨大的能源消耗和大量有害气体的释放。近年来，光催化固氮技术因其能在常温常压下将N2转化为NH3而受到广泛关注。但由于N2分子中N≡N键的最高占据分子轨道(HOMO)和最低未占分子轨道(LUMO)之间巨大能量差阻碍了电荷转移，导致光催化N2还原(N2RR)反应动力学缓慢，催化效率低，极大地限制了该技术的工业应用。因此，开发高效光催化剂以促进N≡N键解离、提高还原反应动力学是实现光催化N2RR技术工业化应用的关键。
[0003]石墨相氮化碳(g
‑
C3N4)因其独特的分子结构、合适的带隙、低廉的合成成本以及优异的化学稳定性被认为是一种潜在的N2还原光催化剂。但由于g
‑
C3N4可见光吸收不足，载流子迁移慢，N2吸附性能弱，导致其光催化N2还原性能较低。因此，提高载流子分离和迁移效率，优化催化剂表面活性位点，从而增强g
‑
C3N
4 N2RR活性，是目前光催化领域研究的热点。
[0004]近年来，缺陷工程，尤其是构建N缺陷(V
N
)被认为是提高g
‑
C3N4光催化活性的有效策略。一方面，V
N
可以增强g
‑
C3N4的可见光吸收，提高载流子分离和迁移效率；另一方面，V
N
可以调节光催化剂的能带结构，增强捕获光生电子能力，同时抑制析氢反应。因此构建N缺陷可以有效促进光催化反应活性。Xue等制备了具有丰富氮空位和氰基的多孔g
‑
C3N4光催化剂。氮缺陷和氰基的引入可以缩小g
‑
C3N4带隙，增强可见光吸收，促进光生载流子分离，大幅提高N2RR光催化活性。然而，由于活性位点的缺乏和光生电荷的快速复合，目前许多文献报道的含氮空位光催化剂的光催化N2RR性能仍较低。
[0005]在光催化剂表面负载助催化剂是提高N2RR性能的有效途径。助催化剂不仅可以作为N2吸附的活性位点，还可以促进光生载流子的分离和迁移，加速多电子转移过程，从而提高N2的还原性能。近几年来，Ni3B因其特殊的反向电子转移，2p和3d轨道的强杂化，被认为是高效助催化剂之一。基于上述观点，我们认为在富含N缺陷g
‑
C3N4(V
N
‑
CN)表面负载Ni3B助催化剂将进一步促进V
N
‑
CN电荷的分离和迁移，增强N2的吸附和活化能力，从而获得具有高光催化N2RR活性的g
‑
C3N4基光催化剂，目前还没有相关报道。

技术实现思路

[0006]本专利技术针对g
‑
C3N4光催化还原N2转化率低的问题，提供了一种基于简单自组装过程制备具有优异光催化还原N2能力的Ni3B/V
N
‑
CN纳米片催化剂的方法。在g
‑
C3N4纳米片上同时引入N
v
和负载Ni3B的方法，所得产品光催化性能优异，催化稳定性高，在绿色化学品开发和新材料制备领域具有潜在的应用前景，有望大规模工业化生产。
[0007]本专利技术技术方案如下：
[0008]一种合成氨用Ni3B/氮空位氮化碳纳米片光催化剂的制备方法，步骤如下：
[0009]步骤1、制备富含氮空位g
‑
C3N4纳米片(V
N
‑
CN)
[0010]称取一定量双氰胺和NH4Cl超声分散在去离子水中，将所得溶液置于冰箱内冷冻后，通过冷冻干燥机冷冻干燥以获得白色混合晶体。
[0011]将所得晶体置于坩埚内，在N2气氛保护中煅烧，待自然冷却至室温后，用研钵将产物研磨至粉末状，即V
N
‑
CN。
[0012]步骤2、制备非贵金属助催化剂硼化镍纳米颗粒(Ni3B)
[0013]称取一定量NiCl2·
6H2O溶于去离子水中，经超声、搅拌处理得到溶液A；
[0014]将一定量NaBH4溶于去离子水中，经超声、搅拌处理得到溶液B；
[0015]将溶液B在Ar气氛保护中，缓慢滴入剧烈搅拌的溶液A，混合溶液充分搅拌后，将得到的产物用去离子水洗净，真空干燥后得到黑色粉末，进一步将该黑色粉末在Ar气氛中煅烧，得到Ni3B纳米颗粒。
[0016]步骤3、利用静电自组装方法制备硼化镍纳米颗粒/氮空位g
‑
C3N4纳米片(Ni3B/V
N
‑
CN)光催化剂
[0017]将一定量步骤1制备的V
N
‑
CN和步骤2制备的Ni3B纳米颗粒超声分散于去离子水中，得到均匀稳定的悬浮液，持续搅拌一定时间后，用去离子水和无水乙醇交替洗涤，将产物真空干燥，得到最终产品。
[0018]步骤1中，所述双氰胺和NH4Cl的质量比为0.9～1.2g：4.8～5.2g。
[0019]步骤1中，溶液冷冻的温度为：
‑
8～
‑
5℃，溶液冷冻的时间为18～24h。
[0020]步骤1中，冷冻干燥时间为40～48h。
[0021]步骤1中，煅烧温度为500～600℃，煅烧时间为4～6h。
[0022]步骤2中，NiCl2·
6H2O和NaBH4的质量比为0.5～0.8g：0.4～0.6g。
[0023]步骤2中，混合溶液的搅拌时间为20～40min。
[0024]步骤2中，煅烧温度为300～400℃，煅烧时间为2～3h。
[0025]步骤3中，Ni3B和V
N
‑
CN的质量比为1：5～1：20。
[0026]步骤3中，搅拌时间为4～6h。
[0027]步骤3中，真空干燥温度为50～80℃，真空干燥时间为10～24h。
[0028]将本专利技术制备的Ni3B/氮空位氮化碳纳米片光催化剂用于光催化还原N2制备NH3的用途。
[0029]利用X射线衍射仪(XRD)，透射电子显微镜(TEM)对产物进行形貌结构分析，通过氙灯照射还原N2进行光催化活性实验，利用可见分光光度计比色法测定生成NH3的浓度，评估产物光催化还原N2性能。
[0030]本专利技术的有益效果为：
[0031](1)该光催化本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种合成氨用Ni3B/氮空位氮化碳纳米片光催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、制备氮空位g
‑
C3N4纳米片，即V
N
‑
CN：称取一定量的双氰胺和NH4Cl溶解在去离子水中，将所得溶液放入冰箱内冷冻数小时，通过冷冻干燥机冷冻干燥一定时间得到白色混合晶体；将得到的白色晶体放置在坩埚内，在惰性气体保护下，一定温度下煅烧一定时间，待自然冷却至室温后，取出，用研钵研磨至粉末状，得到氮空位g
‑
C3N4纳米片；步骤2、制备硼化镍(Ni3B)纳米颗粒：称取一定量NiCl2·
6H2O溶于去离子水中，经超声、搅拌处理得到溶液A；将一定量NaBH4溶于去离子水中，经超声、搅拌处理得到溶液B；将溶液B在Ar气体的保护下，缓慢滴入剧烈搅拌的溶液A，将混合溶液充分搅拌后，将得到的产物用去离子水洗净，真空干燥后得到黑色粉末，然后将该黑色粉末在Ar气氛中煅烧，并得到Ni3B纳米颗粒；步骤3、利用静电自组装方法制备硼化镍纳米颗粒/氮空位g
‑
C3N4纳米片(Ni3B/V
N
‑
CN)复合光催化剂：将一定量步骤1制备的V
N
‑
CN和步骤2制备的Ni3B纳米颗粒超声分散去离子水中，得到均匀稳定的悬浮液，持续搅拌一定时间后，用去离子水和无水乙醇交替洗涤，将产物真空干燥，得到最终产品。2.根据权利要求1所述的一种硼化镍纳米颗粒/氮空位g
‑
C3N4纳米片复合光催化剂的制备方法，其特征在于：步骤1中，所述双氰胺和NH4Cl的质量比为0.9～1.2g：4.8～5.2g。3.根据权利要求1所述的一种硼化镍纳米颗粒/氮空位g
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C...

【专利技术属性】
技术研发人员：李娣，张穹，姜德立，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：