[发明专利]一种光催化剂及其制备方法与应用

说明书

本发明“一种光催化剂及其制备方法与应用”，属于光催化技术领域。所述光催化剂为一价铜离子修饰的氮化碳骨架材料，且为多孔结构。本发明的一价铜离子修饰的氮化碳骨架光催化剂具有绿色环保、比表面积大、对可见光吸收能力强、光生电荷分离速率快、光催化活性高、化学性质稳定、耐腐蚀等优点，其制备方法具有简单、易操控、原料易得、成本低、适于连续大规模批量生产等优点。

技术领域

本发明属于光催化技术领域，具体涉及一种光催化剂及其制备方法与应用。

背景技术

近年来，由于能源危机和环境污染问题日益突出，利用光催化剂降解环境中的污染物作为一种环境友好和低成本的技术受到了广泛的关注。目前常用的光催化剂为二氧化钛。虽然二氧化钛具有无毒、高效和低廉的优点，但是其较宽的禁带宽度导致其只能吸收太阳光中大约4％的紫外光，这大大限制了其应用。因此，发展一种能够在可见光下发生催化作用、价格低廉、性能稳定的光催化剂或者其复合材料至关重要。

氮化碳(g-C₃N₄)是一种具有可见光响应的光催化材料，自其问世就受到人们的广泛关注。由于氮化碳具有优异的化学稳定性和独特的电子能带结构，而且还具有无毒、不含金属组分和对可见光响应等优点，它被广泛地应用于光催化过程，如光催化水裂解、选择性光有机合成以及空气或水中有机污染物的消除等方面。但是纯相石墨化氮化碳的能隙约为2.7eV，只能利用460nm以下的太阳光，且聚合产物为密实块体颗粒，存在比表面积低、光生载流子分离能力较弱、光催化活性差等问题，限制了材料的应用范围。目前，已有研究采用多孔和纳米结构构造、半导体异质复合和元素掺杂等方法改善氮化碳基材料的结构形貌特性，从而提高其光催化性能。其中，利用元素掺杂是一种切实可行地设计高量子效率氮化碳基光催化材料的重要方法。

为了改善石墨相氮化碳的可见光催化活性和催化稳定性，研究人员开展了一系列石墨相氮化碳的改性研究。然而，现有的改性方法主要集中在采用元素进行掺杂或者与其他半导体构成异质结。虽然单独采用元素掺杂或者构建异质结能够提升氮化碳某一方面的性能，但不能做到全面的提升，如比表面积、光吸收性能、电子空穴对分离等。因此，如何全面改善石墨相氮化碳光生电子-空穴对复合速率快、比表面积低、光吸收效率低、光催化活性差等问题，对扩大石墨相氮化碳材料的应用范围具有重大意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，结合了元素掺杂和构建异质结的方法，提供一种绿色环保、比表面积大、对可见光吸收能力强、光生电荷分离速率快、光催化活性高、化学性质稳定、耐腐蚀的一价铜离子修饰的氮化碳骨架光催化剂，还提供了一种制备工艺简单、易操控、原料易得、成本低、适于连续大规模批量生产的一价铜离子修饰的氮化碳骨架光催化剂的一步制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种光催化剂，其特征在于，为一价铜离子修饰的氮化碳骨架材料，且为多孔结构。

氮化碳骨架不仅为一价铜离子提供掺杂位点，也为氧化亚铜提供负载平台。掺杂的含义是：一价铜离子与氮化碳本体里面的有机氮原子成键，可达到改善氮化碳材料的光学性能的目的。铜离子的掺杂可使氮化碳骨架材料发生“掺杂效应”，即，当氮化物中掺入另一种价态不同的阳离子时，由于阳离子之间的相互作用和电荷重新分布，使氮化物中的离子缺陷浓度和电子缺陷浓度发生变化。而本发明一价铜离子的掺杂会在氮化碳半导体的禁带中引入一些杂质能级，使氮化碳半导体能对较长波长的光子产生响应，拓宽了对光的利用区域，并且铜离子的掺杂会增强光生载流子的分离效率，从而增强了光催化性能。

所述一价铜离子修饰的氮化碳骨架材料的具体结构为氧化亚铜负载和一价铜离子掺杂的氮化碳骨架；所述一价铜离子修饰的氮化碳骨架材料的比表面积57.4m²/g。

所述一价铜离子修饰的氮化碳骨架材料中的一价铜离子存在形式为掺杂型铜离子与晶体氧化亚铜。