[发明专利]黑磷负载氮化钨纳米片光催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种黑磷负载氮化钨纳米片光催化剂及其制备方法和应用，通过制备黑磷晶体，并通过高能球磨法改变黑磷晶体带隙，得到黑磷纳米片；制备氮化钨纳米片，并通过高能球磨法使氮化钨纳米片生长在黑磷纳米片的表面得到。与现有技术相比，本发明的光催化剂具有宽的光吸收范围，较高分解水产氢性能，在近红外区域也有响应，快速转移载流子的能力，高光生载流子分离能力，低载流子重组率，以及一定的析氢循环稳定性等特点，用于光催化水分解制氢，可见光下产氢速率最高可达188.42μmol·g^‑1·h^‑1，大于700nm光照射下产氢速率为10.77μmol·g^‑1·h^‑1；制备方法具有操作简单，成本低廉，所用原材料无毒，环保。

技术领域

本发明涉及光催化材料，尤其是涉及一种黑磷负载氮化钨纳米片光催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

众所周知，氢气(H₂)是一种绿色的可再生能源，可以使用太阳能从水中产生。此外，太阳能是所有清洁和可持续能源中最丰富的来源。为了缓解日益严重的能源危机，氢气逐渐变得越来越重要。因此，在过去的几十年中，光催化分解水产氢在不使用空穴猝灭剂引起了广泛的关注。但是充分利用太阳能资源是一项艰巨的任务。众所周知，近红外(NIR)光占据了太阳光的50％十分值得开发和利用。然而超过700nm的近红外区域的光子能量很小(小于1.77eV)和高的载流子复合率限制了近红外光催化反应的效率。因此，设计一种无需任何空穴猝灭剂的新型近红外响应分解水析氢的光催化剂是当务之急。

众所周知，光催化剂的性能通常受以下主要因素影响：(1)光吸收的范围；(2)光生电子-空穴对的有效分离和快速转移；(3)光生电子与空穴之间库仑相互作用介导的激子效应。应该注意的是，理论上整个水分解的最小带隙是1.23eV，并且始终足够大的过电势来克服产生H₂和O₂表面化学反应所需的活化能。因此，在超过700nm的NIR光照射下，半导体光催化剂难以实现光催化分解水产生H₂。例如，TiO₂和ZnO在可见光(可见光)对NIR区域基本上没有响应。因此，克服上述缺点非常重要。

同时，与传统的半导体光催化剂相比，许多导体由于具有极高的载流子密度、无带隙和特殊的部分占据带的特点。因此可以作为近红外光响应的光催化剂。此外，它们还具有完全占用的频带(B_-1)和最低的未占用频带(B₁)，与半导体有些相似之处。只要其反应过程激发的电子和空穴电势符合氧化还原电势，导体就可以在没有牺牲剂的情况下在近红外区域实现光催化水分解。

有趣的是，氮化钨(WN)恰好是光催化的合适导体。首先，WN是一种类似于金属的电催化性能的众所周知的过渡金属氮化物。WN通常用作便宜且易于合成的电催化材料。最近的研究报道，WN在光催化方面也表现出了一定的性能。此外，与大多数光催化剂相比，氮化钨无需牺牲剂即可实现有效的光催化制氢性能。WN的光吸收范围非常宽，可以在765nm的光下依旧实现光催化水分解。但是，它也有它的缺点——其产氢效率十分低。

发明内容

本发明的目的就是为了解决光催化剂在近红外区域光响应差、不能吸收近红外光、光生载流子极易重组等所引发的光解水析氢性能差的技术问题而提供一种黑磷负载氮化钨纳米片光催化剂及其制备方法和应用。

本发明选择黑磷(BP)对氮化钨进行改性，以调节其性能。