[发明专利]一种磷掺杂石墨烯量子点-石墨相氮化碳p-n结光催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种磷掺杂石墨烯量子点‑石墨相氮化碳p‑n结光催化剂及其制备方法和应用。所述的制备方法包括：将1,3,6‑三硝基芘和Na₂HPO₄·12H₂O溶于水得到混合水溶液，在碱性条件下水热反应制得磷掺杂石墨烯量子点，利用磷掺杂石墨烯量子点与石墨相氮化碳之间的π–π与氢键作用，形成稳定的复合材料。所述磷掺杂石墨烯量子点为p型半导体材料，与n型石墨相氮化碳形成p‑n结复合材料具有显著提高的光生电荷分离率和可见光催化活性，可用于染料或有机污染物的可见光降解、及光解水制氢。

技术领域

本发明涉及光催化技术领域，具体涉及一种磷掺杂石墨烯量子点-石墨相氮化碳p-n结光催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

光催化是在一定波长光照条件下，半导体材料发生光生载流子的分离，然后光生电子和空穴再与离子或分子结合生成具有氧化性或还原性的活性自由基，这种活性自由基能将有机物大分子降解为二氧化碳或其他小分子有机物以及水，在反应过程中这种半导体材料也就是光催化剂本身不发生变化。作为一种高效、安全的环境友好型净化技术，光催化技术目前收到广泛的关注，在染料及有机物降解、光解制氢等领域有广阔的应用前景。为了提高光催化效率尤其是可见光催化效率，开发性能优异的新颖光催化剂至关重要。抑制光生载流子的复合，是当前光催化剂开发的重点和热点。光催化半导体材料，按导电载流子的不同也分为p型和n型，不同的半导体材料进行复合可得到异质复合光催化剂，可分n-n、p-p、p-n复合3类，前两类称同型异质结(n-n结、p-p结)，后者为反型异质结，即p-n结。已有的研究表明，p-n结光催化材料具有高的催化效率。

石墨相氮化碳(g-C₃N₄)是一种新型的n型非金属光催化材料，在可见光范围内具有一定的光吸收，同时还具有很好的热稳定性、化学稳定性和光稳定性，被广泛应用于光催化产氢、水氧化、有机物降解、光合成以及二氧化碳还原等。然而在光催化过程中，g-C₃N₄仍存在禁带宽度较宽难以充分利用可见光、光生电子-空穴复合严重等问题。近期研究表明，将g-C₃N₄与p型半导体复合制备p-n异质结光催化剂，有望进一步提高性能。

石墨烯量子点(graphene quantum dots，GQDs)是指尺寸小于100nm且厚度小于10层的石墨烯薄层，是新型的纳米碳材料。然而，目前现有技术中，与石墨相氮化碳复合的石墨烯量子点均为n型半导体。近年来，研究者发现将石墨烯量子点经化学掺杂异原子后，石墨烯量子点共轭平面的电荷密度和带宽能隙可得到有效调节，从而改变电子的流动密度和跃迁方式，进而实现对性质的调控。因此，通过改变石墨烯量子点的能带结构，制备具备p型半导体性质的石墨烯量子点，并进一步与石墨相氮化碳复合，有望得到性能优异的新颖光催化剂。石墨烯量子点具有制备成本低、合成方法简单、能带窄、化学稳定性高等特点，可以作为光催化材料的敏化剂与石墨相氮化碳复合，且石墨烯量子点与石墨相氮化碳间具有π–π与氢键作用，可形成稳定的复合结构。所得复合材料无重金属，可以消除金属型光催化剂光腐蚀时的重金属释放。

发明内容

针对现有技术不足，本发明通过简单的一步水热反应制得一种新的磷掺杂石墨烯量子点，该物质具有p型半导体性质，并进一步与石墨相氮化碳复合，得到新型p-n结光催化剂。

本发明采用的技术方案如下：

一种磷掺杂石墨烯量子点-石墨相氮化碳p-n结光催化剂的制备方法，包括如下步骤：

(1)磷掺杂石墨烯量子点的制备：

将1,3,6-三硝基芘和Na₂HPO₄·12H₂O溶于水得到混合水溶液，在碱性条件下进行一步水热反应，去除未反应小分子后制得磷掺杂石墨烯量子点，所得磷掺杂石墨烯量子点为p型半导体材料；