[发明专利]一种氮化碳/三氧化钨二维复合Z型光催化材料、制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种氮化碳/氢气处理的三氧化钨二维复合Z型光催化材料、制备方法和用途。该材料由Pt负载的超薄氮化碳纳米片(Pt‑CN/NS)和氢气处理的三氧化钨(HWO)复合形成；其中，Pt‑CN/NS具有卷曲的二维网状结构；氢气处理的三氧化钨为二维纳米片；Pt‑CN/NS与HWO的复合为二维面接触式复合；Pt‑CN/NS与HWO的质量比为0.5:1～40:1。所制备的光催化材料基于Z型光催化作用机制，具有较高的可见光利用率，较低的载流子复合率，高效的可见光分解水产氢活性，可见光催化产氢活性最大可达862μmol·h^‑1，420nm单色光下的表观量子产率为16.6％。本发明原料丰富，合成工艺简单，操作易控，光生电荷的分离效率高，很大程度上克服了g‑C₃N₄的载流子复合严重的问题，在光解水领域有很大的应用前景。

技术领域

本发明涉及纳米光催化材料制备及其制氢应用技术领域，具体涉及氮化碳/三氧化钨二维复合Z型光催化材料、制备方法及应用。

背景技术

能源是人类赖以生存和发展的基础，但随着当今社会各方面的飞速发展，传统的化石能源(煤，石油，天然气)逐渐枯竭。因此，寻找可替代的环境友好型新能源是各国可持续发展亟需解决的问题。氢能具有可直接从水中获得来源广泛，燃烧热值高，燃烧过程清洁无污染，燃烧产物是无污染的水可循环利用，可以气态或固态金属氢化物等形式存在等优点，被认为是一种较理想的可替代性清洁能源。1972年Fujishima和Honda利用二氧化钛(TiO₂)电极成功实现了光电化学劈裂水制氢，该开创性工作为后来的光解水制氢、电解水制氢、光电化学劈裂水制氢研究奠定了基础。但相较于光解水制氢，电解水和光电化学劈裂水制氢都需要提供较高的电能来驱动反应，而光解水原则上只需利用太阳光为驱动力。因此，光解水制氢逐渐成为研究热点，利用太阳能光催化分解水制氢被称为“21世纪梦的技术”。

氮化碳(g-C₃N₄)具有价廉，无毒，制备方法简单，合适的劈裂水能级位置等优点而成为光催化领域的明星材料之一，但其载流子复合严重，限制了它在光解水制氢领域的应用。所以，对g-C₃N₄进行修饰和改性以提高其载流子分离效率，进而获得较高的催化效率是科学研究和工业应用的关注重点。

一般而言，Z-型光催化体系在有效分离载流子的同时，可保持催化剂较高的氧化还原能力，是目前广泛研究且十分有效的提高半导体材料催化活性的方法。二维(2D)材料相较于体相材料能缩短载流子转移路径，从而提高载流子分离效率。因此，制备2D超薄g-C₃N₄已成为一个热门的研究领域。另外，能级匹配的不同半导体材料复合所得到的Z-型光催化作用机制的复合体系，可以在保持半导体材料较高氧化还原能力的同时，将整个体系的光生电子和空穴有效地分离开来，从而提高载流子的分离效率。

在各种半导体材料中，三氧化钨(WO₃)因价廉，无毒，对可见光有较强的吸收能力，价带空穴氧化能力强等优点常作为构建Z型体系较优候选材料。尤其是氢气处理的2D纳米片状WO₃不仅具有较大的比表面积，能增大活性位点数还能缩短载流子的扩散距离，并在此基础上产生一定的氧空位，进一步改善材料的吸光能力。因此，氢气处理的WO₃在光催化领域有很大的应用前景。

目前还未发现本发明所涉及的超薄氮化碳/氢气处理的三氧化钨2D/2D复合Z型光催化材料的有关报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超薄氮化碳/氢气处理的三氧化钨2D/2D复合Z型光催化材料、制备方法和应用。