[发明专利]一种Z型异质结光催化材料的简易制备方法

说明书

本发明公开一种Z型异质结复合材料的简易制备方法。Cu₂O纳米晶和g‑C₃N₄纳米片两种半导体复合形成了Z型异质结，以水为质子源，实现了二氧化碳高效还原为甲醇，同时产生氧气。合成方法简单，水作为质子源不需要其他牺牲剂，从而有效降低成本，有较好的应用前景。

技术领域

本发明属于光催化技术领域，尤其涉及一种Z型异质结材料的简易制备方法。

背景技术

能源危机和日益严重的环境问题亟需解决，太阳能的转化与利用有望成为解决能源和环境问题的有效途径。在过去的几十年中，利用半导体光催化二氧化碳还原为液体燃料被认为是将太阳能转化为化学能的理想方法。然而在光催化二氧化碳体系中，水为质子源实现高效二氧化碳转化为甲醇仍具有挑战性。

g-C₃N₄作为一种极具吸引力的共轭聚合物，由于成本低、可见光响应等优点，在太阳能转换领域受到了广泛的关注。然而单一的g-C₃N₄光生空穴和电子的复合率高、内阻较大、吸光范围窄等缺陷，使得其光催化效率较低。因此人们采用多种策略来探索抑制电子空穴的复合，从而提高光催化性能。其中，较多研究者通过构建复合材料的途径来改善g-C₃N₄的光吸收性能和催化性能。

受自然光合作用的启发，科学家们基于两种半导体组合后具有良好匹配的能带结构的特点，设计了多种全固态人工Z型异质结光催化体系。Z型异质结具有特殊的电子传递路径，在光照下不仅能够产生具有足够能级的光生电子和空穴，而且具有更宽的光吸收范围，并提高电荷载流子的空间分离能力。

基于以上情况，本发明提供一种基于g-C₃N₄的Z型异质结的简易制备方法，其在光催化反应中成功将二氧化碳还原为液体燃料甲醇，同时实现水的氧化，极大的提高了太阳能的利用效率，为实现碳中和目标拓展了新思路。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，提供一种Z型异质结光催化剂的简易制备方法。该Z型异质结在二氧化碳和水的反应体系中实现光催化制备液体燃料甲醇，同时制得氧气，不添加额外的牺牲剂。

本发明的Z型异质结光催化剂包括如下步骤制备方法：

(1)尿素溶液经旋转蒸发后再煅烧制备g-C₃N₄纳米片；

(2)将步骤(1)所制g-C₃N₄纳米片与CuCl₂，十二烷基硫酸钠、氢氧化钠、盐酸羟胺混合，反应得到Cu₂O@g-C₃N₄Z型异质结复合纳米材料。

步骤(1)中煅烧温度为450-550℃，优选500℃，反应时间为2小时。

步骤(2)中，所述反应温度为33～35℃，反应时间为1h。

步骤(2)中，首先将一定量的g-C₃N₄分散在水中，将一定浓度氯化铜溶液加入，以十二烷基磺酸钠作为粘合剂，氢氧化钠作为沉淀铜离子试剂，盐酸羟胺作为还原剂。

本发明还提供上述Z型异质结光催化剂的应用，将该Z型异质结光催化剂用于催化二氧化碳还原为甲醇同时实现水氧化，产生氧气，不添加牺牲剂，具体通过如下技术方案实现：

一种同时光催化产甲醇和氧气的方法，包括如下步骤：将H₂O加入上述Z型异质结光催化剂，以水为质子源在光照下进行二氧化碳还原催化反应，生成甲醇和氧气。

进一步，所述H₂O和Z型异质结光催化剂的用量比为(1～10)mL∶2mg，优选5mL∶2mg。