光催化合成氨材料的探索与研究

发布时间：2024-03-22 23:53

　　光催化固氮是一种十分具有前景的绿色合成氨的方法。目前工业合成氨的手段虽然能基本满足人类生产需要,但在反应过程中排放的碳氢化合物会加剧地球的温室效应。目前现有的光催化剂存在合成手段复杂,性能不稳定等缺点。因此,开发一种高效的光催化催化剂是解决这个问题的关键所在。在本论文中,我们首先用水热的方法合成了MoO_3-x纳米带,并将其第一次应用于在纯水中实现光催化固氮的反应。在反应的过程中没有利用任何助催化剂,并且始终保持着常温、常压的状态。该催化剂结构和性能都十分稳定,可以持续催化反应24小时以上,展现了良好的光催化固氮能力。此外,我们还通过对STEM的分析,发现了该材料的氧缺陷(O_VS)位于它的(001)面和(100)面上。而后通过进一步的计算和实验,证明了这些氧缺陷是合成氨反应过程中氮气分子的吸附中心和活化中心,并且氮气分子会分别以两端吸附和单端吸附的方式吸附于(001)面和(100)面上。同时,当氮气分子吸附在催化剂表面的氧缺陷上时,它的键长将会被拉长,这表明了氧缺陷在光催化氮气固定中起到的决定性作用。该实验结果为利用材料的原生氧缺陷开发新的光催...

【文章页数】：73 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

图1.1氨的电子式和三维模型

2图1.1氨的电子式和三维模型。从图1.1可知，氨分子是一种三角锥型的极性分子，其中N原子以sp3杂化轨道成键。NH3分子中氮的化学价为-3价，可以发生氧化反应转变为其他更高价的化合物。氨气相关的常见化学反应通常有燃烧反应，工业制硝酸的反应等等。在生物方面，氨对生命体至关重要，因....

图1.2以催化剂种类分类，每年关于合成氨的文章数量

3图1.2以催化剂种类分类，每年关于合成氨的文章数量。[9]第一篇关于合成氨的文章是由印度土壤研究相关的科学家于19世纪40年代发表的，但是由于战争和工业革命的影响，这个研究并没有得到足够的重视。[8]后来到了1970年至1980年左右，Schrauzer和Guth两位科学家基于....

图1.3半导体催化剂在光照下将N2转化为NH3原理示意图（左侧为在pH=0的条件下的氧化

5图1.3半导体催化剂在光照下将N2转化为NH3原理示意图（左侧为在pH=0的条件下的氧化还原电位）。[26]表1.1与N2转化为NH3相关的氧化还原电位（pH=0）。[23,24]反应式E0(V)HO→0.5O+2H+2e0.81a2H+2e→H-0.42aN+e→N-4.16....

图1.4通过DFT理论简单计算后的氧化钼固氮示意图：（a）在无缺陷的半导体表面氮气无法吸附

6由于太阳光谱大部分光的波长都处于可见光范围（即大于420nm），因此在满足N2转化为NH3的热力学的条件下，让半导体尽可能保持窄的能带带隙，才能够让催化剂在可见光下仍然保持着活性。此外，为了提高反应的量子效率（AQY），也需要通过改变材料表面的结构来抑制光生电子和空穴的重组。关....

本文编号：3935133