[发明专利]光催化固氮的碳缺陷型氮化碳材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种光催化固氮的碳缺陷型氮化碳材料的制备方法。本发明以尿素为前驱体通过高温剥离方法得到了结构疏松、表面碳缺陷较多的介孔氮化碳。通过原子尺度结构的控制和表面缺陷的构建，制备的碳缺陷型氮化碳对氨转化的光催化活性比体相g‑C₃N₄有很大提高。本发明利用薄层结构、较多的表面碳空位和介孔结构，可以实现可见光区光吸收能力的增强，以及光生电荷分离效率的提高。值得注意的是，工程碳空位极大促进了氮分子的吸附和活化，提高了缺陷超薄g‑C₃N₄‑V(碳缺陷型氮化碳)材料的固氮活性，且制备方法简单易行，快速方便，且具有普适性。

技术领域

本发明涉及无机功能材料制备领域，具体涉及一种光催化固氮的碳缺陷型氮化碳材料的制备方法。

背景技术

氮是空气中最丰富的元素，也是生物体内最重要的元素之一。氮和其化合物在生产和生活中有着广泛的应用。

目前，工业合成氨仍旧依赖于Haber-Bosch反应。由于Haber-Bosch反应无法解决其高能耗、高污染等缺点，寻找绿色可持续的合成氨技术迫在眉睫。与之相反，光催化氮还原反应是一种可以通过太阳能驱动还原氮气以制备氨的方法。该方法在常温常压环境下便可进行，因此光催化固氮技术是一种非常有前景的合成氨技术。作为光催化氮还原技术的核心，高效的光催化剂的开发成为目前的研究重点。

众所周知，固氮是一个复杂的六电子还原过程。影响有效固氮的主要因素是处理N₂的高活化势垒，提高对氮的吸附，获得足够的光激发电子。具有合适带隙的超薄材料可能提供新的机会。由于晶体的各向异性和原子水平上的超薄结构，它们表现出较强的量子限制效应和表面效应。表面原子的低配位和大比表面积使得充分利用阳光成为可能。然而，光生载流子容易在表面重新组合，导致载流子利用率低，表面的氧化还原反应缓慢。为此，半导体表面缺陷的构建将有效解决这一问题，产生更多的电子将有利于固氮反应。

氮化碳材料因其成本低、工艺简单、光响应性好、稳定性好等特点成为了光催化的研究热点。然而，氮化碳(g-C₃N₄)的低分散性、低电导率和高复合率严重影响了光催化性能，但其导带电位比N₂/NH₃还原电位更负，使N₂还原NH₃成为可能。改进材料性能的办法有：杂原子掺杂，异质结结构，结构和形态工程等等。除了上述的策略以外，缺陷工程也在获得高性能的g-C₃N₄型催化剂方面显示出了巨大的潜力。事实上，缺陷型的氮化碳显著改善了光催化活性，它通过将缺陷引入氮化碳聚合物网络以形成中间能隙状态，从而显著拓宽了可见光吸收范围并加速了光氧化还原催化的电荷分离。这为改善光催化剂的光催化性能提供了一种新的策略。

因此，将体相g-C₃N₄进行了热处理以产生有缺陷的多孔超薄g-C₃N₄，热剥离后可形成超薄多孔结构，大量增加的碳缺陷可促进纯水环境的固氮。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种光催化固氮的碳缺陷型氮化碳材料的制备方法。

本发明所提供的这种光催化固氮的碳缺陷型氮化碳材料的制备方法，是以尿素为前驱体通过高温剥离方法得到了结构疏松、表面碳缺陷较多的超薄氮化碳。本发明通过原子尺度结构的控制和表面缺陷的构建，制备的碳缺陷型氮化碳对氨转化的光催化活性比体相g-C₃N₄有很大提高。利用薄层结构和较多的表面碳空位，可以实现可见光区光吸收能力的增强，以及光生电荷分离效率的提高。值得注意的是，工程碳空位极大促进了氮分子的吸附和活化，提高了碳缺陷超薄g-C₃N₄-V材料的固氮活性。