异质结催化剂、制备方法及应用

本发明涉及有机化学，尤其涉及一种异质结催化剂、制备方法及应用。

背景技术：

1、随着社会的发展，化石能源的不可再生性使得人类寻找能够替代的能源。随着石油和化石能源的消耗导致了二氧化碳为主的排放量持续上升，所带来的温室效应对生态环境和气候产生了深远的影响。在优化生态环境建设布局背景下，探索如何将二氧化碳作为一种碳一资源催化转化为具有较高附加值的多碳化学品展现出十分诱人的应用前景。

2、在相关技术中，将二氧化碳固定为环状碳酸酯，是一种较为绿色且具有原子经济性的途径。但是，环状碳酸酯的生产方式在热力学上受到较多限制，如多以热能作为外源能量输入实现的。因此，实现二氧化碳的回收利用以及开展提高环状碳酸酯的反应选择性和收率的研发具有重大意义。

技术实现思路

1、有鉴于此，为了至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一，本发明提供了异质结催化剂、制备方法及应用。

2、为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案如下：

3、根据本发明一个方面的实施例，提供了一种异质结催化剂的制备方法，包括：将宽带隙金属氧化物纳米颗粒分散于第一溶剂中，得到第一溶液；将金属硼化物分散于第二溶剂中，得到第二溶液；将第二溶液加入至第一溶液中，进行加热处理，得到异质结前驱体；在惰性气氛下，将异质结前驱体进行煅烧处理，得到异质结催化剂；宽带隙金属氧化物纳米颗粒的带隙为大于3ev。

4、根据本发明的一些实施例，金属硼化物是通过如下过程制备得到的：将金属盐加入至第三溶剂中搅拌，得到金属盐溶液；将还原剂加入至第四溶剂中搅拌，得到还原剂溶液；将还原剂溶液在搅拌的同时逐滴加入至金属盐溶液中进行还原反应，得到金属硼化物。

5、根据本发明的一些实施例，金属盐和还原剂的投加摩尔比为1：（2~6）；还原反应在室温下进行，反应时间为0.5~6h；金属盐在第三溶剂中的浓度为0.002~10mol/l；还原剂包括硼氢化钠或硼氢化钾；还原剂在第四溶剂中的浓度为0.05~5mol/l；逐滴加入的滴加速率为0.1-2ml/min。

6、根据本发明的一些实施例，宽带隙金属氧化物纳米颗粒包括二氧化铈、二氧化锗、二氧化锆、二氧化钛、二氧化锡、氧化铟、氧化镓、氧化铋中的至少一种；金属盐包括镍盐或铁盐；优选地，金属盐包括六水合氯化镍、六水合硫酸镍、三水合溴化镍、六水合硝酸镍、九水合硝酸铁、六水合三氯化铁、三水合溴化铁中的至少一种。

7、根据本发明的一些实施例，宽带隙金属氧化物纳米颗粒的直径为10~200nm；金属硼化物和宽带隙金属氧化物纳米颗粒的质量比为1：（10~100）。

8、根据本发明的一些实施例，加热处理的温度为100~120℃；煅烧处理的条件为：从室温升温至250~350℃，升温速率为3~10℃/min，在250~350℃煅烧处理0.5~6h。

9、根据本发明另一个方面的实施例，提供了一种异质结催化剂，通过如上述的制备方法制备得到。

10、根据本发明再一个方面的实施例，提供了一种红外光驱动催化制备环状碳酸酯的应用，包括：将如上述的异质结催化剂、季铵盐助催化剂、环氧化物加入至第五溶剂中进行搅拌，通入惰性气体以去除第五溶剂中的空气，得到第三溶液；向第三溶液通入二氧化碳，在红外光照射和常压的条件下进行催化反应，得到环状碳酸酯。

11、根据本发明的一些实施例，红外光是通过对氙灯附加cut800滤光片形成的；红外光的光照强度为300-500mw/cm2，催化反应的反应时间为8~24h。

12、根据本发明的一些实施例，季铵盐助催化剂包括四丁基溴化铵；季铵盐助催化剂的投加质量为0.005~0.5g，环氧化物的体积为0.02~0.5ml；环氧化物包括溴代环氧丙烷。

13、基于上述技术方案，本发明提供的异质结催化剂、制备方法及应用，使用金属硼化物来吸收光能，由于硼元素掺杂在金属晶格内，使得功函数（电子从晶体表面逸出所需要的最小能量）下降，有利于促使电子从金属硼化物表面逸出，转化为电子激发态（即为热电子），从而引发电子跃迁，同时还保留着金属的性质。由于金属硼化物和宽带隙金属氧化物纳米颗粒表面带有相反的电荷，在混合时两者之间产生静电吸引作用，有利于金属硼化物和宽带隙金属氧化物纳米颗粒充分接触。再进行煅烧处理，使得金属硼化物与宽带隙金属氧化物纳米颗粒之间形成化学相互作用，形成具有高催化活性的面内异质结构，有助于电子的有效注入和传输。将该异质结催化剂用于光催化二氧化碳、环氧化物制备环状碳酸酯时，异质结催化剂中的金属硼化物吸收红外光的能量，将光激发产生的热电子高效地转移并注入至宽带隙金属氧化物纳米颗粒的导带中，并通过氧化还原离子对进行储存，通过该电子对环氧化物的活化作用实现红外光驱动的环状碳酸酯的合成，合成工艺过程简单有效。

技术特征：

1.一种异质结催化剂的制备方法，包括：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述金属硼化物是通过如下过程制备得到的：

3.根据权利要求2所述的制备方法，其中，所述金属盐和所述还原剂的投加摩尔比为1：（2~6）；

4.根据权利要求2所述的制备方法，其中，所述宽带隙金属氧化物纳米颗粒包括二氧化铈、二氧化锗、二氧化锆、二氧化钛、二氧化锡、氧化铟、氧化镓、氧化铋中的至少一种；

5.根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述宽带隙金属氧化物纳米颗粒的直径为10~200nm；

6.根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述加热处理的温度为100~120℃；

7.一种异质结催化剂，通过如权利要求1~6中任一项所述的制备方法制备得到。

8.一种红外光驱动催化制备环状碳酸酯的应用，包括：

9.根据权利要求8所述的应用，其中，所述红外光是通过对氙灯附加cut800滤光片形成的；

10.根据权利要求8所述的应用，其中，所述季铵盐助催化剂包括四丁基溴化铵；所述季铵盐助催化剂的投加质量为0.005~0.5g，所述环氧化物的体积为0.02~0.5ml；所述环氧化物包括溴代环氧丙烷。

技术总结
本发明提供了一种异质结催化剂、制备方法及应用，属于有机化学技术领域。该异质结催化剂的制备方法，包括：将宽带隙金属氧化物纳米颗粒分散于第一溶剂中，得到第一溶液；将金属硼化物分散于第二溶剂中，得到第二溶液；将第二溶液加入至第一溶液中，进行加热处理，得到异质结前驱体；在惰性气氛下，将异质结前驱体进行煅烧处理，得到异质结催化剂；宽带隙金属氧化物纳米颗粒的带隙为大于3eV。本发明使用金属硼化物能够吸收光能并生成热电子，能够有效转移至反应活性位点活化反应物，有利于后续应用在红外光谱中制备环状碳酸酯。

技术研发人员：张晓东,尚书,谢毅
受保护的技术使用者：中国科学技术大学
技术研发日：
技术公布日：2024/10/24