煤基石墨烯担载型复合催化剂的制备及光催化N2/H2O合成氨性能

In view of the status of ammonia in the national economy, and extremely harsh synthetic conditions of the classic Haber−Bosch process, photocatalytic synthesis of ammonia from N2/H2O is considered to be the most ideal process. However, no substantial progress has been made in the photon-driven nitrogen fixation because of the efficiency of the most studied photocatalytic materials like semiconductors is very low. Therefore, design and synthesis of catalysis with high photocatalytic N2 reduction activity have become one of the most popular research topics in this field. Preliminary studies have shown that coal-based graphene (GO) prepared by the modified Hummers method contains unique hexagonal single-walled nanostructures of the GO, but also it contains other metal and nonmetallic sites such as Fe, SiO2, N; The ruthenium (Ru) was loaded on the prepared coal-based GO by in situ method and investigated for the photocatalytic reduction of N2, NH3 production up to 1072.3μmol/g after the reaction for 10h. We are prepared to synthesis of coal-based GO from coal and modified the synthesized coal-based GO by loading metals and semiconductor compound, then applied it in photocatalytic reduction of N2, optimize the photocatalytic process, and discuss the photocatalytic reaction mechanism. By implementing this project, we want to expand the research on coal-based functional materials, also want to do some work for improving the theoretical study of the N2 photocatalytic reduction systems.

鉴于氨在国民经济中的地位，以及现有Haber-Bosch合成氨法严苛的生产工艺，光催化N2/H2O制氨被认为是最理想的合成氨技术。然而，由于目前研究较多的半导体等光催化材料存在效率低等弊端，光催化还原N2技术未能取得实质性进展。因此，开发具有较高光催化N2活性的催化剂已成为该领域的研究热点。前期研究发现，采用改进的Hummers法制备的煤基石墨烯（GO）在具有其它GO特有的六元环片层结构的同时，还链接有来自煤炭的Fe、SiO2、N等多种金属及非金属物质；将其与原位生成的金属Ru复合并用于光催化还原N2，反应10h后NH3产率达1072.3μmol/g。本项目拟在制备煤基GO基础上，对其进行金属负载及半导体复合等改性，并应用于光催化还原N2反应中，优化光催化反应工艺，探讨光催化反应机理。本项目的实施，不仅能拓展煤基功能材料的研究领域，且可为丰富光催化还原N2新催化体系理论做点工作。

鉴于氨在国民经济中的地位，以及现有Haber-Bosch合成氨法严苛的生产工艺，光催化N2/H2O合成氨被认为是最理想的制氨技术。然而，由于目前研究较多的半导体等光催化材料存在效率低等弊端，光催化还原N2技术未能取得实质性进展。因此，开发具有较高光催化N2活性的催化剂已成为该领域的研究热点。.碳材料作为光催化剂载体，不仅能大幅度提升光催化剂的分散性，提高复合光催化剂吸附反应物的能力，而且还有利于提高复合光催化剂的电子转移能力和感光性能，有望大幅度提高催化剂的光催化还原N2活性，使N2/H2O合成氨技术接近实际应用。.鉴于上述原因，本项目首先选用煤炭为碳源，制备了包括煤基氧化石墨烯（GO/SiO2）、煤基碳纳米片（CNs）、煤基碳纳米卷（CNS）、煤基铁芯碳纳米管（Fe-CNTs）、煤基碳点（包括无氮掺杂煤基碳点（CDs）和氮掺杂煤基碳点（N-CDs）等六种煤基碳纳米材料，并对各制备材料的结构及形成机理进行了研究；同时，为了与煤基碳纳米材料的应用性能进行比较，我们还选择石墨、石油沥青及牛骨为碳源，制备了石墨基氧化石墨烯（GO）、石油沥青基氧化石墨烯（包括2D-GO及3D-GO）和牛骨碳包裹羟基磷酸钙纳米棒（HAp-C）等四种载体，研究了各制备材料的结构特点及形成机理，分析了煤基GO/SiO2与选用石墨等原料制备的GO等纳米材料结构间的差异；其次，选择上述10种碳纳米材料载体，通过负载半导体或贵金属的方法，制备了18种碳材料载体负载型复合材料，并在研究各制备产物结构及性能的同时，将此18种碳材料负载型产品应用于光催化还原N2/H2O合成氨，或光催化N2/CO2/H2O合成尿素，或光（电）催化降解污染物产氢，或光电催化降解污染物同时结合N2合成氨，或光催化降解污染物，或污染物吸附等方面，研究了制备材料的光（电）催化活性等性能，揭示了不同方法制得产品的结构、带隙宽度、光电性能等参数与制备方法及碳材料载体之间的关系，探讨了各产品的制备方法-结构-应用性能之间的内在联系，研究了各制备产品的光（电）催化反应机理，优化了光（电）催化反应工艺，并同时研究了各产品的再生及回收利用方法；最后，选择光催化N2/H2O合成氨活性较高的板钛矿型Ti3+-TiO2做主催化剂，将其固定化后用于光催化N2/H2O合成氨反应中，研究了光催化剂的固定化方法及固定化催化剂的光催化活性变化。.本项目的完成，