[发明专利]一种碳/石墨相氮化碳复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种碳/石墨相氮化碳复合材料的制备方法，属于光催化剂技术领域。本发明采用的正硅酸乙酯在水中原位水解为硬模板，羟甲基化二聚氰胺和二聚氰胺的混合物为前驱体，通过正硅酸乙酯的原位水解与羟甲基化二聚氰胺和二聚氰胺的混合物形成溶胶凝胶化中间体；进一步通过焙烧得到具有“双连续”结构的SiO₂‑C/g‑C₃N₄；最后通过氢氟酸刻蚀将模板脱除，得到具有较大比表面积的碳/石墨相氮化碳复合材料，利用该方法合成的复合材料能有效降低光生电子与空穴的复合率，增强太阳光的利用率，提高光催化性能。实验数据表明，本发明制备得到的碳/石墨相氮化碳复合材料的比表面积可达174m²·g^‑1，催化效率可达94.4％。

技术领域

本发明涉及光催化剂技术领域，特别涉及一种碳/石墨相氮化碳复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

近年来，石墨相氮化碳(g-C₃N₄)因其具有禁带带隙窄、可见光响应及优异的热稳定性和化学稳定性，且无毒、廉价、易制备等特点而受到广泛关注，在光催化降解、产氢和有机合成等诸多领域具有广泛的应用前景。然而，由于纯g-C₃N₄的导电性较差，在可见光照射下所产生的光生电子与空穴易复合，致使其光催化活性不高，另外，纯g-C₃N₄对可见光较低的吸收效率，也限制了其光催化活性的充分发挥。为了提高g-C₃N₄的光催化性能，许多研究者采用半导体复合、碳元素掺杂和提高比表面积等方法用于提高g-C₃N₄石墨相氮化碳的光催化性能。

将无机碳元素与石墨相氮化碳制成碳/石墨相氮化碳复合材料(C/g-C₃N₄)是提高石墨相氮化碳光催化性能的策略之一。目前，C/g-C₃N₄的制备方法主要包括物理混合方法、浸渍-焙烧法和硬模板法。中国专利CN106994363A提出了一种“原位-一锅法”制备C/g-C₃N₄的方法，将二聚氰胺或三聚氰胺与甲醛反应，得到部分羟甲基化二聚氰胺或三聚氰胺，在对其高温焙烧得到C/g-C₃N₄。但是，该方法所得到的复合材料的比表面积仍偏低，限制了光催化性能的进一步提高。

发明内容

有鉴于此，本发明目的在于提供一种碳/石墨相氮化碳复合材料及其制备方法和应用。本发明提供的制备方法制备得到的碳/石墨相氮化碳复合材料比表面积高，光催化性能好。

本发明提供了一种碳/石墨相氮化碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：

1)将二聚氰胺、甲醛、氢氧化钠和水混合进行部分羟甲基化反应，得到部分羟甲基化反应产物；所述部分羟甲基化反应产物为羟甲基化二聚氰胺和二聚氰胺的混合物；

2)将步骤1)得到的部分羟甲基化反应产物、水和正硅酸乙酯混合进行溶胶凝胶化反应，得到溶胶凝胶混合物；

3)将步骤2)得到的溶胶凝胶混合物依次进行焙烧和氢氟酸刻蚀，得到碳/石墨相氮化碳复合材料。

优选地，所述步骤1)中二聚氰胺和甲醛的质量比为1：0.044～0.544。

优选地，所述步骤1)中部分羟甲基化反应的pH值为8～9。

优选地，所述步骤1)中部分羟甲基化反应的温度为70～74℃，部分羟甲基化反应的时间为5～9h。

优选地，所述步骤2)中部分羟甲基化反应产物与正硅酸乙酯的质量比为1：2～8。

优选地，所述步骤2)中溶胶凝胶化反应的温度为100～120℃，溶胶凝胶化反应的时间为18～26h。