二维SiP纳米片作为光催化剂在可见光下光催化固氮的应用
阅读说明：本技术 二维SiP纳米片作为光催化剂在可见光下光催化固氮的应用 (Application of two-dimensional SiP nanosheet as photocatalyst in photocatalytic nitrogen fixation under visible light ) 是由 元勇军 汤睿 王浩东 沈志凯 于 2021-08-26 设计创作，主要内容包括：本发明公开二维SiP纳米片作为光催化剂在可见光下光催化固氮的应用。本发明二维SiP纳米片光催化剂通过简单的液相超声的方法制备,超声后先通过低速离心去除大尺寸颗粒,进而通过高速离心得到高质量的磷化硅纳米片。所制备的磷化硅纳米片可以有效地应用于光催化固氮,在可见光下将水和氮气转化为氨。本发明的磷化硅纳米片光催化剂具有绿色,稳定,制备快速和工艺简单等优点。(The invention discloses application of a two-dimensional SiP nanosheet as a photocatalyst in photocatalytic nitrogen fixation under visible light. The two-dimensional SiP nanosheet photocatalyst is prepared by a simple liquid-phase ultrasonic method, large-size particles are removed by low-speed centrifugation after ultrasonic treatment, and then high-quality silicon phosphide nanosheets are obtained by high-speed centrifugation. The prepared silicon phosphide nanosheet can be effectively applied to photocatalysis nitrogen fixation, and water and nitrogen are converted into ammonia under visible light. The silicon phosphide nanosheet photocatalyst has the advantages of being green, stable, rapid in preparation, simple in process and the like.)
技术领域
本发明属于环境友好材料领域，尤其是涉及二维SiP纳米片作为光催化剂在可见光下光催化固氮的应用。
背景技术
随着环境污染问题的日益凸显，对于化石燃料的使用与污染物的排放的规定逐渐严格。氨作为重要的工业和农业原料，具有十分重要的作用。但目前其生产方式主要是哈伯法，该方法需要使用大量的化石燃料，同时排放大量的二氧化碳等污染物，是一个高能耗、高污染的过程，因此探索清洁绿色的氨合成方式具有重要意义。
近年来，光催化固氮技术成了研究的重点。催化剂在太阳光照射下将水和氮转化为氨，不消耗化石能源也没有污染物排放，整个生产过程没有碳参与，是理想的氨合成技术。目前研究的光催化固氮催化主要可以分为金属材料、碳基材料、金属硫化物等。但这些材料受限于成本和制备方法，难以大规模应用，且大多只能利用紫外光，对于可见光鲜有利用。因此开发制备简单且具有可见光响应的催化材料，是推动光催化固氮技术发展与应用的重要环节。
基于此，本发明提出二维SiP纳米片光催化剂在可见光下光催化固氮的应用。该二维SiP纳米片可实现可见光响应，其制备方法操作简单、低成本，光催化能力高效。
发明内容
本发明的第一个目的是针对现有光催化固氮催化剂制备复杂、无法有效利用可见光等不足，提出二维SiP纳米片作为光催化剂在可见光下光催化固氮上的应用。
将二维SiP纳米片分散在氮饱和水溶液中，可见光照射下能够将氮气和水转化成氨。
作为优选，二维SiP纳米片的尺寸在200-500nm，具有典型的二维结构。
所述的二维SiP纳米片光催化剂采用以下方法制备得到：
以块体磷化硅为原料，以乙醇为溶剂，在超声细胞粉碎仪中超声剥离后，超声时间为3-12h，通过分级离心得到所需的二维磷化硅纳米片。
作为优选，块体磷化硅与乙醇的质量体积比为0.1-10mg：1mL。
作为优选，超声期间保持溶液温度在5℃以下。
作为优选，分级离心具体是先进行2000-4000rpm初次离心10-20min，以去除未剥离的大尺寸颗粒，再对上层溶液进行10000rpm二次离心5-10min。
本发明首次提出二维SiP纳米片在光催化固氮上作为光催化剂的应用，推动非金属磷化物在光催化固氮技术发展。另外，本发明二维SiP纳米片制备工艺通过冰浴液相超声法制备，操作简单。
附图说明
图1为使用本发明剥离前的磷化硅块体SiP和剥离后的磷化硅纳米片SiP-10000的X射线电子衍射图。
图2为使用本发明剥离前的磷化硅块体(a)和剥离后的磷化硅纳米片(b)的扫描电镜图。
图3为磷化硅纳米片光催化剂的透射电镜图。
图4(a)-(b)分别为剥离前的磷化硅块体和剥离后的磷化硅纳米片分散在乙醇溶液中的照片。
图5为磷化硅块体和纳米片的光催化固氮性能。
具体实施方式
以下将通过具体实施例对本发明进行详细描述，但本领域技术人员了解，下述实施例不是对本发明保护范围的限制，任何在本发明基础上做出的改进和变化都在本发明的保护范围之内。
实施例1-1:
在100ml的乙醇溶液中加入0.05g块体磷化硅材料SiP，搅拌均匀，置于超声细胞粉碎仪中，超声12小时，期间保持溶液温度在5℃以下。超声结束后首先将溶液经2000rpm离心20min以去除未剥离的大尺寸颗粒，然后将上层液体经过10000rpm离心8min，收集沉淀即为剥离后的磷化硅纳米片SiP-10000。由X射线电子衍射图像可以证明剥离后磷化硅的晶体结构并没有改变，保持良好的晶体结构，如图1所示。剥离前块体磷化硅的尺寸非常大，如图2(a)所示。剥离后的磷化硅纳米片尺寸在200-500nm，如图2(b)所示。剥离后的磷化硅纳米片呈现典型的二维形貌结构，如图3所示。分别将块体磷化硅和磷化硅纳米片SiP-10000分散在乙醇溶液中，观察发现磷化硅纳米片溶液呈黄色，如图4所示。
实施例1-2:
在100ml的乙醇溶液中加入0.05g块体磷化硅材料SiP，搅拌均匀，置于超声细胞粉碎仪中，超声3小时，期间保持溶液温度在5℃以下。超声结束后首先将溶液经4000rpm离心10min以去除未剥离的大尺寸颗粒，然后将上层液体经过10000rpm离心离心5min，收集沉淀即为剥离后的磷化硅纳米片。由X射线电子衍射图像可以证明剥离后磷化硅的晶体结构并没有改变，保持良好的晶体结构，剥离前块体磷化硅的尺寸在200-500nm。
实施例1-3:
在100ml的乙醇溶液中加入0.05g块体磷化硅材料SiP，搅拌均匀，置于超声细胞粉碎仪中，超声10小时，期间保持溶液温度在5℃以下。超声结束后首先将溶液经2000rpm离心20min以去除未剥离的大尺寸颗粒，然后将上层液体经过10000rpm离心10min，收集沉淀即为剥离后的磷化硅纳米片。由X射线电子衍射图像可以证明剥离后磷化硅的晶体结构并没有改变，保持良好的晶体结构，剥离前块体磷化硅的尺寸在200-500nm。
实施例2-1：
以实施例1-1制备得到的磷化硅纳米片SiP-10000为光催化剂，在玻璃反应器中倒入250ml去离子水，10mg光催化剂，在溶液中通氮气30分钟，使溶液达到氮饱和，从溶液中取样1ml。以300W的氙灯为光源，在可见光照射下(λ>420nm)测试光催化剂的固氮性能。每隔1h将体系中的溶液取出1ml溶液，离心去除沉淀，通过纳氏试剂分光光度法测量溶液中的氮含量，如图5所示。连续测试6h。
实施例2-2：
对实施例2-1中光催化剂由实施例1-1制备得到的磷化硅纳米片SiP-10000更改为块体磷化硅为光催化剂，其余条件不变，光催化固氮性能如表1所示。
上述实施例并非是对于本发明的限制，本发明并非仅限于上述实施例，只要符合本发明要求，均属于本发明的保护范围。