[发明专利]一种非金属1D/2D复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种非金属1D/2D复合材料及其制备方法和应用，属于纳米复合材料的制备及清洁能源领域；本发明首先制备出g‑C₃N₄备用；然后通过调整反应条件和反应物的比例制备出g‑C₃N₄/PEDOT光催化剂，本发明利用水热法合成非金属1D/2D复合结构的PEDOT/g‑C₃N₄光催化剂，可用于在可见光下光催化分解水制氢；所得的g‑C₃N₄/PEDOT样品具有1D/2D复合结构，并且产氢量可达3636.6μmol g^‑1，是纯g‑C₃N₄的5.5倍，这表明具有1D/2D复合结构的g‑C₃N₄/PEDOT复合光催化剂在光催化分解水制氢领域具有很大的潜能。

技术领域

本发明涉及一种非金属1D/2D复合材料及其制备方法和应用，属于纳米复合材料的制备及清洁能源领域。

背景技术

随着人类社会的不断发展，能源需求不断扩大，这导致了大量的化石燃料被燃烧，并且对生态环境造成了严重的危害。然而，传统化石燃料在不远的将来也将消耗殆尽，这可能会造成更严重的能源短缺问题。而氢气作为一种清洁能源，与传统能源相比，具有原料丰富、廉价，无毒无害，产能高等优点，但是地球上自然存在的氢气是极少量的。因此，利用半导体催化光解水制氢受到了科研工作者的广泛关注。

1972年，日本科学家Fujishima首次报道了以二氧化钛为材料分解水的研究，为解决能源危机指明了一条道路。因此，二氧化钛成为了被大量研究的光催化材料。但是较大的禁带宽度使TiO₂（3.2ev）不能成为最理想高效的光解水催化剂。因此在过去的几十年里，更多的具有可见光活性的光解水催化剂不断被发现和研究，例如WO₃, BiVO₄, SiC , CdS等。相比于这些金属半导体光催化剂，非金属光催化剂造价低，对环境危害小，具有更广阔的应用前景。2008年王心晨等人在Nature Material期刊上提出g-C₃N₄可以作为非金属光催化剂在可见光的条件下光解水制氢，这一发现引发了科研工作者对g-C₃N₄的研究热潮。g-C₃N₄作为有机半导体聚合物，对应的带隙宽度（~2.7ev）及其合适的导带价带位置赋予了其较高的氧化和还原能力，使其在光催化领域具有广泛的应用前景。

对于单体g-C₃N₄光催化剂，虽然其具有许多优点，如具有可见光光催化活性、良好的耐酸碱腐蚀性以及优异的化学稳定性和热稳定性等。但是g-C₃N₄光催化剂本身的光生电子-空穴复合程度高，限制了其在光催化领域中的应用。因此，越来越多的科研工作者致力于对g-C₃N₄的改性。常见的改性方法可大致分为三大类：形貌调控、化学掺杂和半导体复合。其中半导体复合主要是利用两种或多种不同能带宽度或具有特殊骨架的半导体合成复合光催化材料，使之成为具有多方面性能的复合体系。目前，选择复合的半导体材料主要有过渡金属氧化物、过渡金属硫化物和贵金属材料等，然而这些金属材料造价昂贵并且极其容易导致金属污染，对生态环境造成二次伤害。而导电聚合物不仅不会造成二次污染，而且还具有半导体材料的性能，因此，选择合适的导电聚合物与g-C₃N₄复合是一种具有广阔前景的可行手段。目前被开发出来的一系列有用的导电聚合物有：聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚乙炔、聚对苯撑、聚对苯撑乙烯等。但是目前已报道过和g-C₃N₄复合的只有聚苯胺、聚吡咯等较为简单的导电聚合物，并且所报道过的文献中均未提及导电聚合物的形貌及其结构对光催化性能的影响。

发明内容