Fe2O3负载的多孔g-C3N4光催化剂的合成及其光催化还原氮气合成氨文献综述

 2021-12-31 22:45:18

全文总字数:22585字

Fe2O3负载的多孔g-C3N4光催化剂的合成及其光催化还原氮气合成氨

摘 要

通过低氧环境下的热处理,简单地制备了Fe2O3负载的多孔石墨相氮化碳(g-C3N4)光催化剂,并对其光催化固氮活性进行了评价。当样品中铁含量小于1 wt%时,复合催化剂通过光催化作用可有效地将氮气还原成氨,氨的产率达到47.9 mg/L/h,是纯g-C3N4的6倍。光催化性能也优于许多目前报道的g-C3N4基光催化剂。x射线光电子能谱和Mӧssbauer光谱证实了光催化剂中Fe2O3的形成,BET分析显示通过调节处理温度增大了孔体积,为光生载流子分离和N2在催化剂表面的吸附提供了益处。这种低成本的g-C3N4负载的Fe2O3纳米粒子有望成为高效固氮的光催化剂家族成员之一。

简介

氨(NH3)是一种非常重要的文明发展化学物质。目前,工业上通过哈伯-博世工艺生产NH3,这需要剧烈的反应条件(15-25兆帕,300-550℃),导致高能耗和许多与环境和安全相关的问题[1]。自1960年以来,光催化技术在H2发电和污染物降解方面显示出巨大的潜力,利用辐射作为能源[2],这是一个有前途的方法,为未来多种能源的应用。例如,掺杂铁的二氧化钛颗粒上的固氮的发现越来越受到光催化研究的关注[3]。尽管如此,光催化仍在为工业规模的应用而奋斗,因为大多数使用的光催化剂仅在紫外光下具有活性,而紫外光仅占地球表面太阳光谱的7%。此外,许多光催化剂由不经济的金属元素组成,并且对环境有毒。最近,石墨相氮化碳(g-C3N4)作为光催化[4,5]中的无金属催化剂正在成为一个新兴的明星。g-C3N4可以积累稳定的带隙来吸收可见光,同时它价格低廉,对环境友好。

g-C3N4具有2.7eV的带隙,其导带和价带分别位于1.3和1.4eV[6],这意味着g-C3N4可能参与不同的氧化还原反应[7]。2008年[6]报道了g-C3N4在可见光下的光催化H2O分裂。随后,g-C3N4衍生物在许多不同的光催化过程中作为光催化剂被频繁研究,例如去除NOX[8-10],CO2还原反应[11]和环境修复[5,12]。最近,一些报道揭示了g-C3N4在光催化N2固定方面的巨大潜力[1,13-18]。然而,g-C3N4是一种直接间隙半导体,其光生电子/空穴对更喜欢复合在一起,而不是迁移到粒子表面[15]。因此,与外来物质的耦合被广泛用于改变g-C3N4[19,20]的光电子性质,例如RGO(还原石墨烯氧化物)[21]、Ti3C2Tx[22]和铜(I)[23]。此外,氧空位的产生和模拟天然固氮酶的人工系统的设计被认为是光固定N2[24,25]。铁基材料能够与g-C3N4形成异质结,从而提高光催化性能。例如,CoFe2O4[26],银/Fe3O4[27,28],FeVO4[29],和磷酸铁锂[30]能够给g-C3N4提供光电子,增加催化活性位点的数量,并通过吸收光生电荷来减弱电子/空穴复合。据报道,在氨合成过程中,铁有利于N2合成NH3,对N2离解具有小的活化障碍,并且吸附的氮原子的覆盖率低[[31]。在这种情况下,铁基光催化剂的设计值得进一步研究,以提高N2固定[32]的光催化活性。

本研究的目的是开发一种简单的方法合成Fe2O3负载的多孔g-C3N4光催化剂,并探索其光催化还原氮气合成氨的潜力。对所制备的催化剂进行了详细的表征,以研究其组成、形态和光学性能。已经通过Mӧssbauer光谱和BET分析检查了Fe2O3形成和增大的孔体积。由于有效的光生载流子分离和N2吸附,这种类型的光催化剂在人工太阳光照射下对N2固定显示出显著的光催化活性。在铁含量低于1 wt%的情况下,制得的催化剂对氮气的光催化还原率高达47.9mg/L/h,是纯g-C3N4的6倍。所获得的Fe2O3负载的g-C3N4比一些报道的g-C3N4基光催化剂提供了更好的氨产率,因此显示出在N2光固定中的潜力。

2.实验部分

2.1材料

三聚氰胺(99.0%)、乙醇(99.8%)和非水合硝酸铁(99.99%)购自阿拉丁。这项工作中使用的其他化学物质属于分析等级,无需进一步净化即可使用。

2.2 g-C3N4的合成

石墨相氮化碳(g-C3N4)是通过热凝聚法制备的[15]。简而言之,将10克三聚氰胺放入半封闭的氧化铝坩埚中,在550℃下以5℃分钟的加热速率煅烧2小时。然后将缓冲剂和多孔团聚物研磨成粉末,标记为g-C3N4

2.3 Fe2O3负载的g-C3N4的制备

在不同温度下煅烧制备了Fe2O3负载的g-C3N4光催化剂。通常,将500毫克g-C3N4和1毫升浓度为6.68mg/mL的Fe(NO3)3·9H2O分散在20mL乙醇中,并在空气中剧烈搅拌下于60℃干燥。然后将干燥的混合物在石英管炉中在400、450、500和550℃下退火2小时,其中O2/N2空气流量为5%,时间为30mL/min。得到的光催化剂分别称为GF-400、GF-450、GF-500和GF-550。

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