一种二维材料改性的锆基催化剂及其制备方法和应用

本发明涉及一种光催化材料，具体涉及一种二维材料改性的锆基催化剂及其制备方法和应用。

背景技术：

1、大气中的co2浓度在逐年递增，引发了全球化的温室效应，破坏生态环境。利用光催化剂可借助光能持续将co2还原转化为有价值的高附加值燃料，比如co、ch4等，同时可以减少环境污染和化石燃料枯竭问题。

2、锆基金属有机骨架材料具有热稳定性高、比表面积大、结构和功能可调等诸多优点，因而其在光催化还原co2领域引起了极大的关注。但是由于锆基金属有机骨架材料光生载流子易复合、还原效率低等问题，又限制了其在光催化还原co2领域的实际应用。

3、最近研究发现，负载助催化剂是改善锆基金属有机骨架材料光生电子和空穴分离效率低，提高光吸收，是实现有效光催化还原co2的最简单有效的方法之一。贵金属已经被证明是一类出色的助催化剂，但是贵金属存在价格昂贵和资源稀缺等缺点，使得负载贵金属作为助催化剂以改善锆基金属有机骨架材料的光吸收性能无法大规模量化生产，阻碍了其实际应用。因此，需要找寻一种能够加强锆基金属有机骨架材料的助催化剂，在保证高性能的前提下还需要降低生产成本。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了解决上述问题至少其一而提供一种二维材料改性的锆基催化剂及其制备方法和应用，该催化剂以锆基金属有机骨架材料为基底，通过负载钛铌酸纳米片二维材料进行改性，提升了材料的比表面积，并将其用于光催化还原co2，以达到降低催化成本，提高光催化还原co2性能的目的。

2、本发明的目的通过以下技术方案实现：

3、本发明第一方面公开了一种二维材料改性的锆基催化剂，该催化剂以锆基金属有机骨架材料为基底，负载二维材料得到，所述的二维材料为钛铌酸纳米片。

4、钛铌酸纳米片是一种拥有杰出光电特性的半导体纳米片二维材料，具有高稳定性、低成本、高度各向异性和优异的固体酸性质，将钛铌酸纳米片原位负载在锆基金属有机骨架材料上，可以有效分离光生载流子，提高了光生载流子的转移效率，从而提高了光催化还原co2的活性，同时也降低了成本。

5、优选地，二维材料与锆基金属有机骨架材料的质量比为0.1wt％-20wt％。

6、更优选地，二维材料与锆基金属有机骨架材料的质量比为0.5wt％-7wt％。

7、本发明第二方面公开了一种制备如上任一所述的二维材料改性的锆基催化剂的方法，包括如下步骤：

8、s1：将锆源与有机配体完全溶解于溶剂中，得到第一混合溶液；

9、s2：将二维材料加入到溶剂中，充分搅拌得到第二混合溶液；

10、s3：将步骤s1得到的第一混合溶液和步骤s2得到的第二混合溶液转移至反应釜中发生反应，得到反应产物；

11、s4：将步骤s3得到的反应产物洗涤和干燥，得到所述的二维材料改性的锆基催化剂。

12、优选地，步骤s1中，所述的锆源为硅酸锆、氯化锆、氯氧化锆和氧化锆中的一种或多种；所述的有机配体为间苯二甲酸、均苯三甲酸、1,2,3,4-丁烷四羧酸、对苯二甲酸、2,5-二羟基对苯二甲酸、偏苯三甲酸、丁二酸、琥珀酸和草酸中的一种或多种；所述的锆源与有机配体的质量比为1:0.7-1:2.6。

13、优选地，步骤s1和步骤s2中，所述的溶剂为水、甲醇、乙醇、乙二醇、n,n-二甲基甲酰胺和n,n-二甲基乙酰胺中的一种或多种。

14、优选地，步骤s3中，所述的反应的温度为80-180℃，时间为8-24h。

15、优选地，步骤s4中，所述的干燥的温度为15-70℃，时间为5-10h。

16、本发明第三方面公开了一种如上任一所述的二维材料改性的锆基催化剂在光催化还原温室气体中的应用。

17、优选地，所述的温室气体为co2。

18、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

19、一、该催化剂的制备方法反应条件温和，原料易得，过程易于控制；同时该催化剂具有光生载流子分离效率高，较高的光催化活性和很好的可重复性。通过优化二维材料的负载量，光催化还原co2产co的量是纯的锆基催化剂的10倍。因此，二维材料改性的锆基催化剂在光催化还原co2方面具有广阔的应用前景。

20、二、本发明的二维材料改性的锆基催化剂在光催化还原co2中表现出非常好的性能，并具有很好的稳定性，即本发明的催化剂在常温常压的条件下对co2具有高活性。

21、三、本发明原料易得，操作简单，成本低廉，具有良好的重复性，有助于此项技术的推广和应用。

技术特征：

1.一种二维材料改性的锆基催化剂，其特征在于，该催化剂以锆基金属有机骨架材料为基底，负载二维材料得到；所述的二维材料为钛铌酸纳米片。

2.根据权利要求1所述的一种二维材料改性的锆基催化剂，其特征在于，二维材料与锆基金属有机骨架材料的质量比为0.1wt％-20wt％。

3.根据权利要求2所述的一种二维材料改性的锆基催化剂，其特征在于，二维材料与锆基金属有机骨架材料的质量比为0.5wt％-7wt％。

4.一种制备如权利要求1-3任一所述的二维材料改性的锆基催化剂的方法，其特征在于，包括如下步骤：

5.根据权利要求4所述的一种二维材料改性的锆基催化剂的制备方法，其特征在于，步骤s1中，所述的锆源为硅酸锆、氯化锆、氯氧化锆和氧化锆中的一种或多种；所述的有机配体为间苯二甲酸、均苯三甲酸、1,2,3,4-丁烷四羧酸、对苯二甲酸、2,5-二羟基对苯二甲酸、偏苯三甲酸、丁二酸、琥珀酸和草酸中的一种或多种；所述的锆源与有机配体的质量比为1:0.7-1:2.6。

6.根据权利要求4所述的一种二维材料改性的锆基催化剂的制备方法，其特征在于，步骤s1和步骤s2中，所述的溶剂为水、甲醇、乙醇、乙二醇、n,n-二甲基甲酰胺和n,n-二甲基乙酰胺中的一种或多种。

7.根据权利要求4所述的一种二维材料改性的锆基催化剂的制备方法，其特征在于，步骤s3中，所述的反应的温度为80-180℃，时间为8-24h。

8.根据权利要求4所述的一种二维材料改性的锆基催化剂的制备方法，其特征在于，步骤s4中，所述的干燥的温度为15-70℃，时间为5-10h。

9.一种如权利要求1-3任一所述的二维材料改性的锆基催化剂在光催化还原温室气体中的应用。

10.根据权利要求9所述的一种二维材料改性的锆基催化剂的应用，其特征在于，所述的温室气体为co2。

技术总结
本发明涉及一种光催化材料，具体涉及一种二维材料改性的锆基催化剂及其制备方法和应用，该催化剂以锆基金属有机骨架材料为基底，负载二维材料得到；二维材料为钛铌酸纳米片。包括如下步骤：S1：将锆源与有机配体完全溶解于溶剂中，得到第一混合溶液；S2：将二维材料加入到溶剂中，搅拌得到第二混合溶液；S3：将第一混合溶液和第二混合溶液转移至反应釜中发生反应，得到反应产物；S4：将反应产物洗涤和干燥，得到二维材料改性的锆基催化剂与现有技术相比，本发明以锆基金属有机骨架材料为基底，通过钛铌酸纳米片二维材料进行改性，用于光催化还原CO<subgt;2</subgt;，以达到降低催化成本，提高光催化还原CO<subgt;2</subgt;性能的目的。

技术研发人员：刘宁,武金星,胡彬,王登辉,党怡,唐量,王吟
受保护的技术使用者：上海理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12