[发明专利]一种多相碳掺杂g-C3N4复合光催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种多相碳掺杂g‑C₃N₄复合光催化剂及其制备方法和应用，该材料采用天然提取物藕粉及g‑C₃N₄的前驱体作为原料，在惰性气体下，通过热缩聚、高温碳化制备而成；该复合光催化剂中，碳组分既通过共价键与七嗪环形成平面异质结，又以碳颗粒形式负载于二维材料上，光生电子可以同步跃迁至两种碳结构上参与还原反应，具有独特的载流子双通道迁移模式，光生电子‑空穴分离效率和利用率得到极大提高，可用于光催化降解、水分解、二氧化碳还原和固氮。

技术领域

本发明涉及一种多相碳掺杂g-C₃N₄复合光催化剂及其制备方法和应用，属于高分子半导体材料技术领域。

背景技术

光催化技术能够利用清洁、可持续的太阳能资源，实现多种能源之间的有效转换，诸如光催化分解水产氢和产氧、光催化还原CO₂制备碳氢燃料、光催化降解环境污染物以及光合成过氧化氢(H₂O₂)等，被认为是解决当前环境污染和能源危机的有效手段。近年来，g-C₃N₄因其优良的化学稳定性和高效的光催化性能引起了广泛的关注。研究表明，sp²杂化的N_2p轨道组成g-C₃N₄的最高占据分子轨道(HOMO)，而C_2p杂化轨道构成了最低未占据轨道(LUMO)，g-C₃N₄虽然是聚合物，但具有典型的半导体能带结构，对应的带隙为2.7 eV。同时，g-C₃N₄的导带电势低于H⁺/H₂，而价带电势高于O₂/H₂O，在热力学理论上，具有优异的氧化、还原能力。然而，原始的体相g-C₃N₄比表面积较小，对可见光响应范围较窄，光生电子和空穴分离程度不高且容易复合，严重限制了其大规模广泛应用。因此，针对g-C₃N₄的改性研究成为光催化领域的研究热点。

针对这些问题，国内外众多科研工作者对g-C₃N₄提出了各种改性方法，包括无机元素掺杂、异质结构筑、表面金属负载、刻蚀法剥离、金属氧化物或离子插层等，不但材料的比表面积得以提升，体系的光子吸收利用能力还得到了增强，光催化性能显著提高。专利CN108435229A公开了一种磷掺杂多级孔道氮化碳纳米片及其制备方法，磷元素的引入优化了g-C₃N₄本体的能带结构，促进了多孔结构的产生和更多活性位点的暴露，极大地提高了材料的光催化活性。但单相材料无法实现光生电子-空穴对的有效分离，其氧化还原能力受到一定限制。专利ZL 2016 1 0274264.5公开了一种氮化碳/氧化钨复合空心微球材料及其制备方法，空心微球具有较大的比表面积，空心内腔能够提供更多光子传输吸收路径，提高了催化剂的光子吸收利用能力。同时，空心腔体由WO₃和g-C₃N₄纳米颗粒共同构筑而成，能够形成优异的异质结，光致载流子的分离效率能够得到提高。然而，该复合材料通过两种材料物理结合，光生载流子传输、分离能力有限。碳材料具有较大的比表面积和优异的导电性，同素异形体石墨烯、碳纳米管已被广泛用于光电材料性能调控。将碳材料与g-C₃N₄通过共价键合，碳环与七嗪环界面电荷迁移效率较高，能够显著提高半导体材料的光生载流子分离能力。同时，碳颗粒负载于g-C₃N₄表面，为电子-空穴分离提供了第二通道，能够显著提升材料的光催化性能。

发明内容