【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及光催化反应，尤其涉及一种利用富无序孔洞纳米片中空穴极化子光催化氮气合成硝酸的方法。
技术介绍
1、氮元素是构成生命体的基本元素之一，也是一切有机体赖以生存的核心元素。另外，氮元素的衍生物如硝酸盐、氮基化肥和氮基炸药，都与国民生产、工业农业以及军工国防密切相关，因此对其研究一直备受关注。然而，自然界中的氮基本上都以氮气的形式存在，并不能被直接利用。而氮气分子的键能高达942 kj/mol，使得通过化学的方法打断氮氮三键将游离的氮气转化为化合态氮（如硝化氮或者氨化氮）变得异常困难。因此，如何打断氮气分子强的化学键并重整成化合态的氮成为摆在材料化学学者面前的一个极具挑战的课题。
2、近年来，半导体光催化技术被科学家广泛关注，它是一种新型的人工固氮技术。这种技术利用太阳光的能量，激发清洁无毒的半导体导带电子，形成光生电子空穴对，再利用电子空穴的氧化还原能力，将n2氧化或还原为氮或硝化氮。由于这个过程具有清洁、可持续和温和的特点，因此被认为是实现人工固氮的一种非常诱人的技术。
3、硝酸是一种高附加值的含氮化合物，是化肥、火药、染料、炸药、乳化剂等领域不可缺少的原料。硝酸的大规模工业化生产经历了多步化学反应，包括甲烷蒸汽重整反应、haber-bosch法生成氨、ostwald法催化氧化氨生成硝酸，每一步都需要高温高压(673-873k, 15-25 mpa)，造成巨大的能源消耗和温室气体排放。目前，如何将绿色可持续的光催化技术与化工重要产品硝酸的生产相结合，是一个极具诱惑又富有挑战的课题，需要更多的研究
技术实现思路
1、有鉴于此，本专利技术要解决的技术问题在于提供一种利用富无序孔洞纳米片中空穴极化子光催化氮气合成硝酸的方法，具有较高的光催化效率。
2、为实现上述目的，本专利技术提供了一种利用富无序孔洞纳米片中空穴极化子光催化氮气合成硝酸的方法，以富无序孔洞ktao3纳米片为催化剂，以含氮气的气体为氮源，进行光催化反应，制备硝酸。
3、本专利技术利用富无序孔洞ktao3纳米片产生的活性极化子，用于以氮气为氮源直接催化合成硝酸。
4、本专利技术优选采用一锅法水热合成上述富无序孔洞ktao3纳米片。
5、具体的，本专利技术提供了一种富无序孔洞ktao3纳米片的制备方法，包括以下步骤：
6、将五氧化二钽和氢氧化钾在正己烷中混合，然后加入水，二次混合后在高温高压条件下进行反应，得到富无序孔洞的ktao3纳米片；
7、所述水与正己烷的体积比为1：（29~299）。
8、上述反应的方程式如下：
9、ta2o5+koh→ktao3+h2o。
10、在本专利技术的一些具体实施例中，所述水的加入量为0.1~1.0毫升，且水与正己烷的总体积为30毫升。
11、在本专利技术的一些具体实施例中，所述水的加入量为0.05~1.0毫升，且水与正己烷的总体积为30毫升。
12、上述水和正己烷的用量为比例关系，本领域技术人员可以依据反应规模按比例合理调整水和正己烷的用量。
13、所述五氧化二钽和氢氧化钾的质量比优选为1:1~1：10，更优选为13：50。
14、所述正己烷的加入量为29~29.9毫升，更优选为29毫升、29.5毫升或29.9毫升。
15、所述二次混合的温度优选为室温，更优选为28摄氏度；所述二次混合的时间优选为30分钟~1小时，更优选为1个小时。
16、所述高温高压的温度优选为120~200摄氏度，更优选为160摄氏度；所述高温高压反应的时间优选为6h~48小时，更优选为24小时；所述高温高压的压强优选为0.1兆帕~10兆帕。
17、优选的，反应结束后，将得到的白色悬浊液离心，上清液弃去得到产物。
18、优选的，得到产物经过洗涤、干燥的后处理步骤。
19、本专利技术对所述离心、洗涤、干燥的具体参数并无特殊限定。
20、优选的，所述离心的转速优选为12000rmp，离心的时间优选为3min。
21、所述洗涤优选采用蒸馏水和乙醇依次洗涤。
22、所述干燥的温度优选为30~80摄氏度，更优选为60摄氏度；干燥的时间优选为2~48小时，时间优选为8小时。
23、本专利技术通过控制ktao3纳米材料制备过程中水的加入量，合成得到了非常薄的ktao3纳米片材料，并以ktao3纳米片材料为基底，在材料表面引入无序孔洞，所述无序孔洞附近可诱导极化子产生，导致载流子分离寿命增加，更积极参与反应，提高反应效率。
24、上述富无序孔洞ktao3纳米片光催化剂的制备方法具有合成成本低、催化剂实用性强且可回收利用、合成方法较温和、易于大规模生产等诸多优点，有着很好的工业化应用前景。
25、本专利技术还提供了一种富无序孔洞ktao3纳米片材料。
26、所述材料具有表面孔洞，所述表面孔洞的半径为4nm±2nm。
27、所述纳米片材料的厚度优选为4nm±2nm。
28、本专利技术制备的富无序孔洞ktao3纳米片材料合成原料及设备成本低，工艺简单，作为催化剂重复利用性强，是一种广谱多功能新型纳米材料。
29、本专利技术提供了上述富无序孔洞ktao3纳米片材料作为光催化反应催化剂的应用。
30、优选的，在进行光催化反应前，将所述富无序孔洞ktao3纳米片材料在去离子水中分散，然后避光搅拌，使其达到吸附平衡。这样的操作有助于吸附氮气分子和氧气分子。
31、所述避光搅拌的时间优选为30~60min。
32、然后向水相中通入含氮气的气体，进行光催化反应。
33、本专利技术对所述含氮气的气体的通入方式并无特殊限定，包括但不限于用鼓泡器通入。
34、优选的，在光催化反应中，所述富无序孔洞ktao3纳米片的用量为15毫克。
35、优选的，所述光催化反应的光源为优选为氙灯。
36、优选的，所述光催化反应的温度优选为室温，具体可以为25摄氏度。
37、优选的，所述含氮气的气体中，氮气的体积含量为20%~90%。
38、在本专利技术的一些具体实施例中，所述含氮气的气体可以为空气或含氮气和氧气的气体。
39、试验结果表明，本专利技术制备的催化剂在太阳光谱下具有较强的光活性。每克催化剂催化合成硝酸根平均速率为2.1 mg g-1 h-1。同时通过分析所制得催化剂的表观量子效率可知，该催化剂在紫外区内均有较强的吸收，表明该催化剂在太阳光下有高量子效率。
40、与现有技术相比，本专利技术提供了一种利用富无序孔洞纳米片中空穴极化子光催化氮气合成硝酸的方法，以富无序孔洞ktao3纳米片为催化剂，以含氮气的气体为氮源，进行光催化反应，制备硝酸。
41、本专利技术获得了以下有益效果：
42、1、该制备方法中反应条件较为温和，反应条件易于本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种利用富无序孔洞纳米片中空穴极化子光催化氮气合成硝酸的方法，以富无序孔洞的KTaO3纳米片为催化剂，以含氮气的气体为氮源，进行光催化反应，制备硝酸。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述富无序孔洞的KTaO3纳米片按照以下方法制备：
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述五氧化二钽和氢氧化钾的质量比为1：（1~10）。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述二次混合的温度为室温，所述二次混合的时间为30分钟~1小时。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述高温高压的温度为120~200摄氏度，压强为0.1兆帕~10兆帕。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述富无序孔洞的KTaO3纳米片的用量为5~50毫克。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光催化反应的光源为氙灯。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光催化反应的温度为20~50摄氏度。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述含氮气的气体中，氮气的体积含量
...【技术特征摘要】
1.一种利用富无序孔洞纳米片中空穴极化子光催化氮气合成硝酸的方法，以富无序孔洞的ktao3纳米片为催化剂，以含氮气的气体为氮源，进行光催化反应，制备硝酸。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述富无序孔洞的ktao3纳米片按照以下方法制备：
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述五氧化二钽和氢氧化钾的质量比为1：（1~10）。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述二次混合的温度为室温，所述二次混合的时间为30分钟~1小时。
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