[发明专利]一种介孔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，涉及采用模板法制备介孔氮化碳，选择聚醚型聚合物P123和F127，以β-环糊精为碳源，首先制备介孔碳模板剂，然后与三聚氰胺在氮气气氛下高温缩聚后，产物介孔碳/氮化碳复合物在空气中煅烧，制备得到的介孔氮化碳光催化剂拓宽了光谱响应范围，具有高效的可见光催化活性。

背景技术

目前环境问题和能源危机日渐突出，半导体光催化技术由于在环境修复和有机废水处理中的潜在应用而备受关注。TiO₂是最早被研究的光催化剂，它是一类优异的半导体光催化材料，具有强氧化性、毒性较低、经济廉价等特点。许多研究者发现TiO₂光催化剂可以生产燃料之外，还有许多其他潜在的用途，例如净化污水，消除无机/有机气体污染物，合成有机燃料等等。但TiO₂在太阳能光催化过程中表现不佳.TiO₂的禁带宽度约为3-3.2eV，导致其只能利用紫外光(约占太阳光能量的5％)。因此为了有效地利用太阳光资源，研究在可见光响应下具有光催化活性的催化材料具有重要的实际意义。

氮化碳化合物作为一种最古老的聚合物衍生物，在常温常压下最稳定，具有优良的耐磨性、化学稳定性和热稳定性，有可能在各种材料科学应用中替代无定型碳和石墨碳材料，可应用于高性能的耐磨涂层、催化剂、合成金属氮化物或碳化物的氮源、膜材料或者储气库等。但氮化碳比表面积小、粒径大，特定的能带结构导致其可见光吸收范围窄(λ＜470nm)，太阳能利用率低，而且激子结合能高和结晶度低，使光生电子-空穴对难以分离和光生载流子迁移率小，导致光催化过程量子效率偏低。因此人们将会把更多的精力集中到g-C₃N₄材料的可控制备上来，采用各种途径和手段优化g-C₃N₄的化学组成、调控其半导体能带结构和表面形貌等，按照特定的实验目的对g-C₃N₄材料进行改性研究，从而进一步拓展g-C₃N₄在能源和环境领域的应用。

近年来，关于介孔氮化碳化合物合成方面研究较多。用SiO₂作为硬模板，可合成出多孔结构的g-C₃N₄，其光催化苯的傅克酰基化反应、光解水制氢和对醇的选择性氧化的能力明显提高。多孔结构使g-C₃N₄比表面积增加，电子的捕捉位点增多，减缓了电子空穴对的复合，使其能克服带隙略微增加带来的不利影响而提高光催化性能。但多孔g-C₃N₄合成后，需要去除硬模板，这往往需要使用剧毒的HF或NH₄HF₂，对人体的伤害较大。本发明选择聚醚型聚合物P123和F127，以β-环糊精为碳源，制备介孔碳，并以介孔碳为模板，高温聚合三聚氰胺制备介孔氮化碳，比传统模板法，具有无毒、模板脱出简单方便且对介孔结构影响较小的特点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种介孔氮化碳光催化剂及其制备方法，该方法工艺简单、成本低廉，制备的介孔氮化碳光催化剂光催化降解效果较好。

本发明提供一种介孔氮化碳光催化剂的制备，其特征在于：选择聚醚型聚合物P123和F127，以β-环糊精为碳源，制备介孔碳模板剂，然后与三聚氰胺在氮气气氛下高温缩聚后，将所得的介孔碳/氮化碳复合物在空气中煅烧除去介孔碳模板，得到的介孔氮化碳光催化剂比表面积大，且拓宽了光谱响应范围，利于光生电子-空穴的分离，从而介孔氮化碳光催化剂具有高效的可见光催化性能，包括如下步骤：

(1)制备模板介孔碳：用20mL 0.1M的酸溶液溶解聚醚P123和聚醚F127的混合物，再加入2gβ-环糊精，搅拌1～1.5h，使其充分混合，然后转入50mL的聚四氟乙烯内衬的不锈钢高压反应釜中。100～180℃反应30～40h。将所得产物离心分离，产物50～80℃真空干燥后放入管式炉中，通入高纯度的惰性气体，600～800℃煅烧3～5h，得到高比表面积介孔碳；

(2)介孔氮化碳的制备：称取0.3g步骤(1)制备的模板介孔碳和一定量的三聚氰胺，加入10mL醇溶液超声分散10～30min，使三聚氰胺充分进入介孔碳的孔道中，50～80℃烘干后放入管式炉中，在氮气气氛下，500～600℃煅烧3～5h。得到的介孔碳和氮化碳复合物在空气中500～700℃煅烧2～4h，除去介孔碳，得到高比表面积介孔氮化碳。