[发明专利]一种氧掺杂的石墨相碳化氮光解水产氢催化剂的制备及其使用方法

说明书

本发明涉及一种氧掺杂的石墨相碳化氮光解水产氢催化剂的制备技术及在光解水产氢反应中的应用方法。该催化剂以三聚氰胺为前驱体，通过酰胺类有机溶剂对其进行预处理，可控的掺入氧原子，提高了催化剂光吸收的范围，改善了电荷载流子的分离；通过引入多糖，与酰胺类有机溶剂产生协同效应，实现了与相邻的庚嗪环形成离域的大π键，进一步提高了催化剂的光吸收和电荷分离；通过长时间在空气气氛下热处理石墨相碳化氮，掺杂一部分氧原子，同时氧刻蚀形成的纳米片上的孔结构作为新的跨平面扩散通道，从而大大提高了光催化产氢活性。本制备方法危险性低，对环境友好，具有良好的实际应用前景。

技术领域

本发明提出了一种氧掺杂的石墨相碳化氮光解水产氢催化剂的制备技术及在光解水产氢反应中的应用方法，属于光催化材料技术领域。

背景技术

21世纪，传统化石燃料的枯竭以及环境的污染已经成为人类可持续发展的重大阻碍，开发绿色可再生能源成为社会发展的必然趋势。太阳能作为地球上一种取之不尽的能量，其潜力正在被人类逐渐挖掘，利用太阳能在光催化作用下产生氢气是实现太阳能光化学转换和储存的有效方法之一。2009年，王心晨和Kazunari Domen课题组首次提出石墨相碳化氮可以利用可见光光子能量还原水获取氢气，这种稳定无污染的非金属半导体光催化剂引起了极大的关注。然而，纯的石墨相碳化氮由于宽禁带宽度，对太阳能的利用有限，而且由于光生电子-空穴对的高复合率，其产氢效果比较差。为了提高石墨相碳化氮的光催化性能，研究者们采用了结构设计、能带调节、构筑半导体异质结等多种策略。毫无疑问，掺杂，通过调节石墨相碳化氮的内在的电子和能带结构，可以增加可见光的吸收，同时促进载流子的有效分离。李江华等人通过H₂O₂水热后处理的方法，使得氧原子部分取代sp2杂化的N原子，使得导带位置下移，所获得的催化剂在可见光照射下表现出增强的光催化活性。张香文等人利用H₂O₂处理三聚氰胺以形成氢键诱导超分子聚集体后缩合反应的方法，形成具有多孔网络和可控的氧气掺杂的石墨相碳化氮，使得氧原子部分取代氮原子，使得带隙变窄，增强光吸收，同时氧掺杂改变了电子密度分布，有利于电子空穴对的分离。但是，以往的氧掺杂仅仅利用了取代效应，催化剂的光吸收和电荷分离效率提高有限，限制了其在光催化领域中的实际应用，因此，如何在传统氧掺杂石墨相碳化氮的基础上进一步改性提高其可见光光催化产氢活性是很有意义的。本发明提出了一种方法，采用酰胺类有机溶剂与多糖预处理三聚氰胺，利用两者之间的协同效应，提高了催化剂的光吸收和电荷分离，在空气气氛下的热处理进一步提高了产氢活性，本方法危险性较低，对环境更加友好，具有良好的实际应用前景。

发明内容

为了克服上述制备方式中存在的不足，同时进一步提高催化剂的光解水产氢活性，本发明提供了一种氧掺杂的石墨相碳化氮的合成方法，及其在光解水产氢中的使用方法。

本发明采取的技术方案如下：

方案1：一种氧掺杂的石墨相碳化氮光解水产氢催化剂的制备方法，其特征包括如下步骤：

1）将三聚氰胺加入到酰胺类有机溶剂中，室温下搅拌至少15min，得到样品A；其中三聚氰胺和酰胺类有机溶剂的质量比为1:3-8；

2）将样品A转移至水热反应釜中，在120-200 ℃下恒温反应2-24 h，之后冷却至室温，在80 ℃下干燥，得到样品B；

3）将样品B分散在蒸馏水中，在连续搅拌下加入多糖，室温下搅拌至少4 h，之后在80 ℃下干燥，得到样品C；其中样品B与多糖的质量比为1:0.005-0.1；

4）在流动的惰性气氛下，将样品C在管式炉中以5 ℃/min的升温速率升温至500-550 ℃，并维持1-5 h，冷却后研磨得到样品D；其中惰性气体的体积空速为600-1200 h^-1；