[发明专利]铜修饰氮化碳及其制备方法和光催化甲烷转化的应用

说明书

本发明涉及铜修饰氮化碳及其制备方法和光催化甲烷转化的应用，光催化材料中，Cu以离子或单原子形式分散在C₃N₄骨架中，Cu的质量含量为0.1‑2%。

技术领域

本发明涉及一种铜修饰氮化碳及其制备方法和光催化甲烷转化的应用。

背景技术

随着社会的发展，甲烷在能源与化工领域的地位变得越来越重要，以天然气为基础的化工技术正在飞速崛起。甲烷的含氧衍生物，尤其是醇类衍生物，既是便于输运的液体燃料，又是各种化工原料的重要来源，被认为是碳一化学的支柱。然而，甲烷向醇类衍生物的转化是世界级难题。甲烷是最稳定的有机小分子，具有正四面体的对称结构，第一个C-H键键能极高，难以失去或得到电子。而且甲烷的单加氧转化十分困难，容易过度活化并彻底矿化为二氧化碳。正因为有着广阔的前景和巨大的挑战，甲烷的选择性活化与单加氧转化得到了普遍的重视。

迄今为止，甲烷单加氧衍生物主要来源于传统的间接转化，先将甲烷重整为合成气，再进一步转化为甲醇。该过程条件苛刻，伴随着巨大的能耗，总碳利用率低，并且对生态环境有一定的影响。直接转化具有巨大的潜在优势，热催化直接转化仍然需要高温高压的苛刻条件。为了进一步降低能耗，光催化直接转化是非常有前景的新策略，光能的引入打破了传统热力学平衡的束缚，降低反应势垒，使得甲烷的转化可以在低温常压下进行。目前已经报道的体系有WO₃、BiVO₄等，效率最高的是WO₃体系，其甲醇产率为67.5μmolg^-1h^-1，需要引入铁离子作为电子牺牲剂。因此，开发一种高效且不需要添加牺牲剂的光催化剂，已经成为光催化甲烷直接转化的难题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述光催化甲烷直接转化产率低、需要引入牺牲剂的现状而提出一种铜修饰氮化碳，该催化剂在光照下具有优良的甲烷转化的性能，不需加入牺牲剂。该催化剂的制备方法原料易得，工艺简单，条件温和。

在此，一方面，本发明提供一种铜修饰氮化碳光催化材料，所述光催化材料中，Cu以离子或单原子形式分散在C₃N₄骨架中，Cu的摩尔含量为0.1-2％。

本发明的铜修饰氮化碳，在紫外、可见光区域有较强的吸收，可用于光催化能源转化，尤其是光催化甲烷转化，具有高效的光催化甲烷转化的催化活性，醇类产率可达到106μmolg^-1h^-1，而且成功构建了光生电子与空穴的催化循环，不需要加入牺牲剂。

所述光催化材料呈片层状，尺寸可以为100-300nm。

另一方面，本发明会提供一种铜修饰氮化碳光催化材料的制备方法，包括：

将氮化碳前驱体、溶剂、Cu盐混合得到混合溶液；

将所述混合溶液烘干，制得混合前驱体；以及

将所述混合前驱体于一定温度下进行热处理，制得铜修饰氮化碳光催化材料。

本发明的铜修饰氮化碳光催化材料通过一步法制备，包括混合溶液制备、在一定温度下去除溶剂获得混合前驱体、高温聚合而制得。通过将氮化碳前驱体与Cu盐制成混合前驱体后进行热聚合，可以使得Cu均匀分散，避免发生团聚。采用铜修饰氮化碳光催化材料可以构成Cu和活性氧物种的催化循环，当应用于光催化甲烷转化中时，无需加入牺牲剂即可具有优良的甲烷转化的性能。在热处理过程中，可一步升至烧制温度，无需程序升温以及外加特殊气氛保护，因而采用一步法制备材料所经历过程更为简便。而且，本发明由于所使用原料皆为商品化原料，无需负载贵金属，从而极大地降低了成本。本发明方法制备的铜修饰氮化碳材料的光催化甲烷直接转化的催化活性要远高于纯C₃N₄。此外，本发明制备方法反应条件温和，工艺简单，在光催化能源转化、尤其是光催化甲烷转化等领域有广阔的应用前景。