[发明专利]一种表面碳空位修饰的石墨相氮化碳光催化剂的制备方法及其在生产双氧水过程中的应用

说明书

本发明提供一种表面碳空位修饰的石墨相氮化碳光催化剂的制备方法及其在生产双氧水过程中的应用，该制备方法具有原料廉价易得、工艺简单、绿色环保、易于工业化生产等优点，通过本发明方法制得的表面碳空位修饰的g‑C₃N₄，相比于纯相的g‑C₃N₄，因为碳空位的存在，使得g‑C₃N₄的带隙变窄、电子离域扩大化，且碳空位将成为电荷捕获中心，碳空位的存在使得表面碳空位修饰的g‑C₃N₄在相同条件下产生H₂O₂的能力是普通g‑C₃N₄的14倍。

技术领域

本发明属于光催化材料制备与环境污染物处理技术领域，具体涉及一种碳空位修饰的石墨相氮化碳(g-C₃N₄)的制备方法及其在生产双氧水(H₂O₂)过程中的应用。

背景技术

双氧水(H₂O₂)是一种无色透明的强氧化剂。由于它的反应产物只有水或氧气，所以经常被用作环境友好型的绿色氧化剂。H₂O₂被广泛应用于生产生活的各个方面，例如纸浆和纺织品漂白、化学合成、环境保护、医用及食品的杀菌消毒等。从双氧水的生产技术来看，目前较为成熟的生产方法主要有两种，分别是电解法和蒽醌法。其中电解法工艺流程短生产效率高，但其消耗电力过多成本太高，已逐渐被市场淘汰。

近年来，利用太阳能作为驱动力的半导体光催化技术生产双氧水备受关注。该过程不需要外加H₂作为还原剂，因此更加安全环保。在过去的几十年里，用于光催化生产双氧水的光催化剂主要是TiO₂或改性TiO₂；Maurino等提出表面氟化可以提高TiO₂光催化成产H₂O₂的速率；Tsukamoto等发现通过在表面沉积Au-Ag合金也可以提高TiO₂光催化成产H₂O₂的速率。然而，由于TiO₂具有较大的禁带宽度(3.0～3.2eV)，故只能在紫外光驱动下发生有效的光催化反应，而紫外光只占太阳能总能量的4％左右，这便限制了TiO₂对太阳能的大规模利用。另外，即便TiO₂或改性TiO₂在紫外光下可以有效地将O₂还原为H₂O₂，生成的H₂O₂也会在紫外光照射下发生分解。因此开发具有可见光催化活性同时又能避免H₂O₂自分解的光催化剂是一个重要的研究方向。

石墨相氮化碳(g-C₃N₄)是一种新型具有可见光响应的非金属光催化剂，由于其禁带宽度适中(2.7eV)，g-C₃N₄导带位于-1.3V，比O₂/H₂O₂的还原电位(+0.695V)低，所以g-C₃N₄的光生电子在理论上可以将O₂还原为H₂O₂。Shiraishi等发现在g-C₃N₄在有乙醇作为牺牲剂的情况下可以有效地将O₂还原为H₂O₂。但是在没有乙醇存在时H₂O₂生成效率却非常低。本发明拟设计一种表面碳空位修饰的石墨相氮化碳(g-C₃N₄)的制备方法并将其用于生产H₂O₂。

发明内容