[发明专利]具有三维有序大孔结构的氮化碳光催化剂及其制备方法

说明书

技术领域

  本发明属于光催化技术领域，具体涉及一种具有三维有序大孔结构的氮化碳光催化剂及其制备方法。

背景技术

半导体光催化是半导体催化剂在可见光或紫外光作用下产生电子-空穴对，吸附在半导体表面的O₂、H₂O及污染物分子接受光生电子或空穴，发生一系列的氧化还原反应的一种光化学方法。

氮化碳是一种有机聚合物半导体，因其有可以响应可见光特性，在水中比较稳定且无毒，而且比较容易制备等特征，引起了科研工作者的广泛关注。氮化碳在光催化、多相催化、燃料电池等领域具有潜在的应用前景，尤其是在可见光条件下催化分解水制备氢气上，氮化碳具有高效、无毒、稳定等独特的优势。

氮化碳材料表面的孔结构和比表面积的大小在其应用性能上起着十分重要的作用。目前，常见的制备氮化碳的方法有熔融法、软模版法、硬模版法等，并且通过各种技术得到了氮化碳的纳米片、纳米棒、纳米球、介孔氮化碳等纳米材料。

例如中国专利文献CN 103623856 A（申请号 201310663870.2）公开了一种多级纳米结构的球状介孔氮化碳光催化剂，所述的球状介孔氮化碳具有以纳米片或类似纳米片的小颗粒由球心向四周均匀地扩散形成表面结构高度敞开、纳米结构高度稳定的微纳结构。制备方法包括以下步骤：（1）合成表面结构高度敞开的球状介孔二氧化硅；（2）将球状介孔二氧化硅于高温煅烧除去有机物后，研磨，在加热搅拌下加入稀盐酸进行酸处理，离心，烘干，研磨；（3）在含抽滤头的烧瓶中，加入二氧化硅和氰胺，在真空条件下，超声和加热；加水离心除去过量氰胺，烘干；将固体粉末于723K～923K氮气炉中高温煅烧2～8h；用NH₄HF₂溶液刻蚀除去二氧化硅模板，水洗，烘干，即得球状介孔氮化碳。按照上述方法得到的球状介孔氮化碳表面具有介孔结构，比表面积较大，但是合成方法复杂，合成成本较高，并且介孔孔径较小，无法负载其他粒径较大的材料。

又例如中国专利文献CN 103721745 A（申请号 201410006468.1）公开了一种共聚合改性有序介孔氮化碳光催化剂，所述的共聚合改性有序介孔氮化碳具有圆柱棒状的微观形貌和二维六方P6mm有序排列的规则介孔孔道，光吸收带边在450nm～700nm。制备方法包括以下步骤：（1）合成二维六方P6mm SBA-15型有序介孔二氧化硅；（2）SBA-15型有序介孔二氧化硅经高温煅烧、研磨后，在加热条件下边搅拌边加入稀盐酸，离心，沉淀物经干燥，得酸化后的有序介孔二氧化硅；（3）氰胺、3-氨基噻吩-2-甲腈和酸化后的有序介孔二氧化硅混合，在加热条件下超声并抽真空；加水离心，干燥，于450℃～650℃氮气炉高温热聚合2～8小时；用氟化氢铵溶液除去二氧化硅模板，水洗，干燥，即得共聚合改性的有序介孔氮化碳。同样的，该专利文献所公开的共聚合改性的有序介孔氮化碳合成方法复杂，成本较高，介孔孔道大小难以调节，无法负载其他粒径较大的材料。

发明内容

 本发明所要解决的技术问题是提供一种具有三维有序大孔结构的氮化碳光催化剂及其制备方法。

实现本发明第一目的的技术方案是一种具有三维有序大孔结构的氮化碳光催化剂，具有排列规整的三维有序多孔形貌，大孔空腔为球形，直径为100nm～300nm；相邻的两个大孔球心的距离为110nm～350nm。

实现本发明第二目的的技术方案是一种具有三维有序大孔结构的氮化碳光催化剂的制备方法，包括以下步骤：

①制备三维有序的二氧化硅球阵列模板；将乙醇、水、氨水混合搅拌均匀得到混合溶液；向混合溶液中加入正硅酸四乙酯，搅拌3～4小时后，将反应后得到的物料离心，去除离心母液，离心得到的沉淀用乙醇洗涤，烘干得到二氧化硅球；乙醇、水、氨水、正硅酸四乙酯的质量之比为50∶（5～18）∶（2～6）∶（3～8）。

将上述得到的二氧化硅球超声分散在乙醇中，在超声分散后得到的悬浊液表面覆盖薄膜，静置，待悬浊液挥发至干，得到的白色固体为三维有序排列的二氧化硅球阵列模板。

②具有三维有序大孔结构的氮化碳光催化剂的制备；向步骤①获得的白色固体中加入氰胺得到固液混合物，然后将固液混合物送入真空干燥箱中，将真空干燥箱中抽真空，将箱内温度升温至55℃～70℃，静置2～4小时后取出，冷却后得到白色固体，为中间体A；其中步骤①获得的白色固体与氰胺的质量之比为1∶1～3。

将得到的中间体A放入管式炉中，在氮气保护下，在520℃～550℃下保持2～4小时，冷却后得到黄色粉末，为中间体B。