[发明专利]一种磷掺杂反蛋白石结构氮化碳光催化剂的制备及其应用

说明书

本发明提供了一种基于磷掺杂反蛋白石结构氮化碳的催化剂的制备方法，该催化剂在光催化还原CO₂中可以得到很好的应用。本发明通过硬模板法，以三维有序排列的SiO₂小球作为硬模板来合成有序大孔结构(反蛋白石结构)。将氮化碳前驱体双氰胺通过煅烧的方法，灌注进由SiO₂小球规整排列而得到的光子晶体中，用NH₄HF₂刻蚀除去模板，即得到反蛋白石氮化碳材料。然后通过将反蛋白石氮化碳与NaH₂PO₂混合煅烧的方式使得磷元素掺杂进入氮化碳分子结构中。本发明将反蛋白石结构引入可以显著增大氮化碳的比表面积为光催化过程提供更多的吸附和活性位点，减小带隙并抑制光生电荷载流子的复合。通过将其应用于光催化还原CO₂，发现其表现出优异的催化活性。

技术领域

本发明涉及一种光催化还原CO₂的催化剂及其制备方法与应用，属于光催化领域。

背景技术

近年来矿石燃料的大量使用已导致大气中二氧化碳(CO₂)的浓度逐年增加。作为最常见的温室气体之一，过量的CO₂排放导致了全球变暖，从而造成了严重的环境问题。将CO₂还原为可用的化学物质是一个一举两得的解决方案，不仅可以缓解温室效应而且为解决能源问题提供了思路。但是，CO₂还原过程中需要断裂碳氧双键，这需要巨大的能量，通常在温和的条件下不易实现。幸运的是，光催化可以实现在温和的条件下将CO₂和H₂O转化为CO、CH₄、CH₃OH等可用产物。自从1979年井上和藤岛发现光催化还原CO₂以来，虽然开发了越来越多用于CO₂还原的光催化剂但是仍然面临了许多问题，例如能量转换效率低，选择性差等。因此开发高性能的CO₂还原光催化剂仍然是一个巨大的挑战

g-C₃N₄是近年来兴起的一种无机非金属光催化剂。g-C₃N₄带隙为2.7eV，可用于CO₂还原。但是g-C₃N₄由于太阳光吸收不足，低表面积和光生电子空穴对的快速复合等导致了较差的催化活性。为了提高g-C₃N₄的催化活性，开发了许多有效的策略，包括元素掺杂，形貌调控、与其他半导体复合、贵金属沉积等。

材料的形貌与结构决定了材料的性能，如材料的吸附、分离以及催化等许多特性都与其形态与结构密切相关。元素掺杂能改变材料的电子性能，以及半导体带隙。将一些特定的形貌结构与元素掺杂相结合并引入到光催化剂中具有重要的研究意义。

发明内容

为了提高g-C₃N₄的催化活性，本发明提供了一种基于磷掺杂反蛋白石结构氮化碳的催化剂及其制备方法，该催化剂在光催化还原CO₂中可以得到很好的应用。本发明通过硬模板法，以三维有序排列的SiO₂小球作为硬模板来合成有序大孔结构(反蛋白石结构)。将氮化碳前驱体双氰胺通过煅烧的方法，灌注进由SiO₂小球规整排列而得到的光子晶体中，用NH₄HF₂刻蚀除去模板，即得到反蛋白石氮化碳材料。然后通过将反蛋白石氮化碳与NaH₂PO₂混合煅烧的方式使得磷元素掺杂进入氮化碳分子结构中。本发明将反蛋白石结构引入可以显著增大氮化碳的比表面积为光催化过程提供更多的吸附和活性位点，同时通过P元素的掺杂可以缩短带隙、抑制光生电荷载流子的复合并改变材料表面的电位，减小带隙并抑制光生电荷载流子的复合。通过将其应用于光催化还原CO₂，发现其表现出优异的催化活性。