[发明专利]一种光解水制氢催化剂的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米材料，尤其是涉及一种光解水制氢催化剂的制备方法。

背景技术

氢能是一种无污染、热值高、应用广的理想二次能源，利用太阳能分解水制氢对解决能 源短缺和环境污染等问题具有重要的意义。然而现有的太阳能光解水制氢催化剂一般需要以 昂贵、稀缺的金属材料为助催化剂，并且可见光响应弱，制氢效率低。如何制备稳定性好、 可见光响应强、制氢效率高及价格低廉的光解水制氢催化剂成为制氢领域中亟待解决的问题。

石墨相氮化碳(g-C₃N₄)是一种仅由C、N两种元素组成的聚合物半导体材料，由于其良 好的化学稳定性、独特的半导体能带结构、无毒且原料易得，被作为一种不含金属成分新型 光催化剂在光解水制氢领域受到人们的广泛关注。然而，将g-C₃N₄作为光解水制氢催化剂还 存在一些问题，如光生电子-空穴复合严重、可见光响应弱、电子传输效率低等。针对这些问 题，人们对g-C₃N₄光催化剂进行物理复合或化学掺杂改性，从而实现对半导体能带结构和光 吸收性质的调整。其中物理复合改性是改进g-C₃N₄光催化性能的一种简便方法。将g-C₃N₄与 其它材料复合并形成异质结构，可以促进激子解离，加速光生电子-空穴的分离，从而抑制光 生载流子的复合，提高其光催化性能。以石墨烯和碳纳米管为代表的碳基纳米材料具有优良 的电子传输能力和较低的费米能级，可以捕获光生电子并抑制光生载流子的复合，有效提高 了催化剂的光催化性能。例如g-C₃N₄可以与碳点(Liu等，Science2015,347:970-974.)、 碳纳米管(Chen等，Phys.Chem.Chem.Phys.2014,16:8106-8113)、石墨烯(Duan等Acs Nano2015,9(1):931-940)等碳基纳米材料的复合，将得到的复合材料用于光解水制氢、光 催化降解有机污染物等领域取得显著成效。

发明内容

本发明的目的在于针对现有的光解水制氢催化剂光生电子-空穴复合严重、可见光响应弱、 制氢效率低、成本高等问题，提供一种光解水制氢催化剂的制备方法。

本发明包括以下步骤：

1)将尿素置于带盖陶瓷坩埚中，在马弗炉中煅烧，得黄色的g-C₃N₄聚合物材料；

2)在氮气保护条件下，将g-C₃N₄聚合物材料超声分散在四氢呋喃溶液中，以金属锂为电 子供体，萘为第一电子受体，在卤代烷烃存在下进行溶液相剥离，反应后在反应物中加入乙 醇除掉未反应的金属锂，再离心，所得固体产物洗涤，干燥后得g-C₃N₄纳米片；

3)将g-C₃N₄纳米片超声分散在水中，加入石墨烯氧化物，继续超声分散得混合溶液，将 混合溶液转移至反应釜中，升温至140～200℃，维持2～12h后冷却至室温，抽滤得固体产 物，经真空干燥即得光解水制氢催化剂。

在步骤1)中，所述煅烧的条件可为于450～550℃下煅烧2～4h。

在步骤2)中，所述反应的时间可为5～24h；所述离心的条件可以8000rpm/min的转 速离心5min；所述洗涤可依次用甲苯、乙醇、水洗涤。

在步骤1)和2)中，所述尿素、g-C₃N₄聚合物材料、四氢呋喃溶液、金属锂、萘的配比 可为(5～10)g∶(10～500)mg∶(50～150)mL∶(0.23～3.45)g∶(0.42～6.26)g， 其中，尿素、g-C₃N₄聚合物材料、金属锂、萘以质量计算，四氢呋喃溶液以体积计算。

在步骤3)中，所述石墨烯氧化物的加入量按质量百分比可为g-C₃N₄纳米片的0～1.0％； 所述真空干燥的温度可为60℃。