[发明专利]石墨相氮化碳及其制备方法、产氢光催化剂及其应用

说明书

本发明公开了一种使用缩二脲作为前驱体材料制备的石墨相氮化碳光催化剂，通过将缩二脲直接在氩气或氮气气氛中500‑600℃以上焙烧2‑4h即可获得新型的石墨相氮化碳。本发明首次使用缩二脲这种前驱体材料成功制备出了石墨相氮化碳，制备出的新型石墨相氮化碳光吸收能力强，具有良好的可见光响应；比表面积大，具有丰富的光催化产氢活性位点。光还原载铂后，缩二脲制备的石墨相氮化碳相比于其他前驱体材料制备的石墨相氮化碳，具有良好的可见光催化制氢活性，本发明可见光催化产氢速率达7026μmol h^‑1g_cat^‑1，在425nm处的量子效率达10.8％，而且具有良好的产氢稳定性。本发明操作简单，重复性好，为提高光催化制氢效率以及石墨相氮化碳的开发和应用提供了一种可靠的方案。

技术领域

本发明属于氢能制备领域，特别涉及一种石墨相氮化碳及其制备方法和一种产氢光催化剂及其应用。

背景技术

当今社会科学技术与工业化进程的飞速发展使得对能源的需求越来越大，然而常规能源的储量越来越少且供应不足，化石能源的开发和利用带来的环境污染问题也越来越严峻。为了解决能源短缺和环境污染这两大威胁人类生存和发展的难题，寻找可以替代常规能源的清洁无污染可再生能源一直是人们的追求。可再生能源转化利用的基础理论研究，发展高效低成本的可再生能源的优质转化与规模化利用技术，已经成为目前我国能源技术领域最为紧迫的任务。在所有的可再生能源中，太阳能和氢能的开发和利用一直是最受关注的技术热点。氢能是理想的二次能源，具有能量密度高、可储存、可运输、无污染等优点，把可再生能源尤其是太阳能转化为氢能，是解决能源与环境问题的理想途径。国际社会一直大力推动形成可持续发展的“氢经济”，“氢经济”形成的一个关键因素是获得廉价的氢能源，太阳能光催化分解水制氢是最有希望规模化将太阳能转化为氢能的高新技术。太阳能光催化分解水生产清洁可再生的氢气能够将能量密度低、强度分布随时间地域变化显著的太阳能转化为能质比高、无污染的氢能储存，从而实现太阳能的有效利用，被认为是最有希望解决全球性能源危机和环境污染问题的方案之一，实现可见光条件下高效低成本大规模光催化分解水制氢的工业化应用是科学研究的最终方向。

光催化制备氢气的原理是：在一定能量光的照射下，半导体光催化剂受光激发产生电子和空穴对，然后电子迁移到催化剂表面将水还原为氢气，而空穴被制氢体系中加入的适当的廉价的牺牲剂所消耗。实现太阳能光催化分解水制氢的关键技术之一是寻找无毒、廉价、高效、稳定、能带合适的可见光光催化剂。

根据现有的研究，在众多类型的光催化材料中，非金属聚合物半导体石墨相氮化碳(g-C₃N₄)材料具有合适的能带(带隙为2.7eV，具有可见光响应；带边位置能够提供足够的氧化电势和还原电势)、良好的物理化学稳定性、独特的二维结构特性，能够在不同牺牲剂体系中分别实现光催化产氢和产氧，在一定条件下可以实现光催化完全分解水。石墨相氮化碳的前驱体材料(双氰胺，三聚氰胺，尿素，硫脲等)来源丰富廉价，制备方法简单、无毒，环境友好无重金属污染(只含C、N两种元素)等优点，满足低成本大规模应用的先决条件，因而石墨相氮化碳被认为是最理想的可见光催化剂而迅速成为研究热点。然而，石墨相氮化碳本身极高的光生电子和空穴的复合率限制了其光催化制氢效率的提高，因此，为了促进石墨相氮化碳的工业化应用，针对石墨相氮化碳的改性和新型石墨相氮化碳的制备被认为是提高其光催化制氢效率的重要手段。

发明内容

本发明的目的在于提供一种石墨相氮化碳及其制备方法，该石墨相氮化碳光吸收能力强，具有良好的可见光响应；比表面积大，具有丰富的光催化产氢活性位点；光还原载铂后，具有良好的可见光催化制氢活性。

本发明的目的还在于提供一种产氢光催化剂及其应用，该产氢光催化剂的具有较高的可见光催化产氢速率、较高的量子效率和良好的产氢稳定性。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种石墨相氮化碳的制备方法：将缩二脲在惰性气体氛围中500-620℃焙烧2～5h，冷却后得到石墨相氮化碳。