[发明专利]一种以共晶前驱体制备富碳氮化碳可见光催化剂的方法

说明书

本发明公开了一种以共晶前驱体制备富碳氮化碳可见光催化剂的方法。该方法以三聚氰胺和对苯二甲酸为原料，采用水热法制备二元有机共晶化合物；然后以该二元有机共晶化合物为前驱体，通过两步法热诱导前驱物缩聚反应形成富碳氮化碳可见光催化剂。本发明以价格便宜、合成工艺简单的二元有机共晶化合物为起始物质，通过对制备条件的调控实现富碳的氮化碳的可控制备，进而在无助催化剂与电子牺牲剂的条件下，实现该催化剂高效的可见光催化全解水反应。

技术领域

本发明属于光催化剂制备技术领域，特别涉及一种以共晶前驱体制备富碳氮化碳可见光催化剂的方法。

背景技术

随着工业和经济建设的日益发展，在有效能源转化和环境保护方面，如何将太阳能直接转化为化学燃料的问题面临着巨大的挑战与机遇。在目前采用的绿色能源转化策略中，利用太阳光直接将水分解成氢气和氧气被认为是最有潜力的一项方案。由阳光驱动的水分解过程依次经历三个步骤：(1)太阳光的吸收，(2)光生载流子的分离和运输，(3)水分子的氧化还原反应。因此，如何制备具有合适的带隙和降低光生载流子的复合成为了提高光催化剂性能的挑战。此外，目前已报道的常见光催化体系需要引入助催化剂与电子牺牲剂，通过光生电子/空穴优先与助催化剂或电子牺牲剂反应以实现或提高催化性能。因此，寻找能够在不含助催化剂或电子牺牲剂的条件下实现全解水的新型光催化剂成为一个新的研究热点。

石墨型碳化氮(g-C₃N₄)，作为一种新型无金属光催化剂材料，具有电子结构优异，物化稳定性高，原料含量丰富等特点，有望筛选出更为高效、稳定的可见光催化剂。g-C₃N₄的独特特性使其应用与多种能源转化过程中，包括HER、ORR和OER。然而，g-C₃N₄催化剂的性能受到其波长吸收低、载流子复合快和导电性差的限制。为了解决这些问题，科研人员提出了多种方案，例如介孔的引入、微/纳结构的控制、半导体杂化、贵金属沉积以及金属/非金属掺杂。近期，通过连续π共轭结构将具有类似芳香结构(例如石墨碳环单元)的二维(2D)结构引入，提供了一种调整能带结构和电子输运性质的策略。

尽管关于g-C₃N₄催化剂的研究有很大的进步，但氮化碳的分子平面上中嫁接π共轭部分，以实现高效的光生载流子分离和运输仍值得进一步研究。因此，发展和完善基于g-C₃N₄可见光催化剂的制备技术具有深远的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种以共晶前驱体制备富碳氮化碳可见光催化剂的方法，以价格便宜、合成工艺简单的二元有机共晶化合物为前驱物，通过对制备条件的调控实现富碳的氮化碳的可控制备，进而在无助催化剂与电子牺牲剂的条件下，实现该催化剂高效的可见光催化全解水的特性。

本发明所述的以共晶前驱体制备富碳氮化碳可见光催化剂的方法为：首先以三聚氰胺和对苯二甲酸为原料，采用水热法制备二元有机共晶化合物；然后以该二元有机共晶化合物为前驱体，通过两步法热诱导前驱物缩聚反应形成富碳氮化碳可见光催化剂。

所述的水热法制备二元有机共晶化合物的具体反应条件为：将2-100mmol三聚氰胺、1-50mmol对苯二甲酸和80-4000mL水混合后密封在聚四氟乙烯反应器中，在140-200℃，水热高压下保温24-48小时，最后以2-5℃/min的速度冷却至室温，过滤得到无色片状晶体，用蒸馏水洗涤，并在40-100℃下干燥至完全除去水分。

所述的二元有机共晶化合物中三聚氰胺和对苯二甲酸的摩尔比为2：1。

所述的两步法热诱导前驱物缩聚反应形成富碳氮化碳可见光催化剂的具体反应条件为：将二元有机共晶化合物置于有盖子的坩埚中，在氮气的保护下，以5-10℃/min的加热速率将其加热至500-600℃，并保持温度2-4小时；冷却至室温后，在氮气的保护下，以5-10℃/min的加热速率将其再加热至550-600℃，并保持温度2-4小时；最终获得棕色的富碳氮化碳可见光催化剂。