[发明专利]一种制备铁钴双金属单原子锚定氮杂石墨烯助催化剂的方法及其应用

说明书

一种制备铁钴双金属单原子锚定氮杂石墨烯助催化剂的方法及其应用。将氧化石墨烯加入去离子水中超声混合均匀，再加入氯化钴水溶液和氯化铁水溶液的混合溶液，超声使其在混合溶液中均匀分散得溶液A；将溶液A放入液氮中快速冷冻后，进行冷冻干燥处理完成后，在氩气和氨气氛围下高温煅烧，得到铁钴双金属单原子锚定的氮杂石墨烯，并用作助催化剂；将负载材料加入到无水乙醇溶液中超声分散，并与铁钴双金属单原子锚定的氮杂石墨烯进行复合，室温下机械搅拌，离心并洗净，真空干燥研磨后退火处理，即得复合光催化材料。本发明铁钴双金属单原子均匀的锚定在氮掺杂石墨烯的表面，且氮杂石墨烯与不同介孔半导体材料结合良好，具有优良的光催化制氢性能。

技术领域

本发明属于能源、材料制备技术领域，具体涉及一种制备铁钴双金属单原子锚定氮杂石墨烯助催化剂的方法及其应用。

背景技术

21世纪以来，世界各国不断加快自己的发展脚步，巨大的能源消耗和严峻的环境污染严重影响了人类的可持续发展，因此开发高效、绿色、可持续的新能源显得尤为必要。太阳能储量丰富、分布广泛，被视为一种理想的可再生能源。光催化技术正是一种将太阳能转换为化学能的高效、安全且具有广阔应用前景的绿色技术，然而目前已有的光催化剂存在对太阳能利用率不高、光生电子-空穴复合率高、成本昂贵等缺点，导致光催化技术的广泛应用受到了限制。因此开发一种效率高、廉价且易于合成的光催化剂具有很广的前景。

石墨相氮化碳（g-C₃N₄）作为一种典型的聚合物半导体，其结构中的C、N原子以sp²杂化形成高度离域的π共轭体系，且具有合适的半导体禁带宽度和带边位置，其光生空穴可以氧化水生成氧气，光生电子具有很强的还原能力。所以，理论上g-C₃N₄可以作为一种具有可见光响应的光催化材料。目前，g-C₃N₄已被用于光催化分解水、光催化降解以及光催化还原二氧化碳等方面。但是g-C₃N₄仍存在太阳能利用率低、光生载流子复合率高、比表面积较小等一系列问题，这些问题严重的阻碍了g-C₃N₄在光催化领域的大规模应用。针对上述存在的问题，国内外科学家开展了一系列的研究，来提高g-C₃N₄的光催化活性。例如，科研工作者从优化制备方法上出发，通过调控g-C₃N₄的比表面积、能带结构等提高了g-C₃N₄的光催化性能。使用硬模板法可合成具有较大比表面积的介孔g-C₃N₄(mpg-C₃N₄)，较大的比表面积能促进催化剂表面的传质扩散过程，提高其光吸收性能，以及更有利于助催化剂的负载，从而提高了mpg-C₃N₄的光催化性能。

除了优化g-C₃N₄的制备方法可以提升g-C₃N₄的光催化活性以外，将金属助催化剂颗粒装载到g-C₃N₄的表面有利于半导体界面光生电子的传输，从而有效提升其光催化性能。目前，最有效的助催化剂是铂系金属，然而，铂系金属在自然界中储量匮乏，其高昂的成本限制了铂系金属的工业化应用。因此开发一种储量丰富、高效、稳定的非贵金属助催化剂具有很广的前景。最近，铁（Fe）、钴（Co）作为一种储量丰富的非贵金属助催化剂进入人们的视野。近年来，掺氮碳材料发展迅速，在这些掺氮碳材料中，各种N官能团，例如吡啶N、吡咯N、石墨N和季铵N为结合金属原子提供了丰富的配位点，同时能有效避免金属发生聚集，从而提高材料的光催化性能。由此可见，设计制备一种铁钴双金属单原子锚定氮杂石墨烯作为助催化剂的介孔石墨相氮化碳纳米材料在光催化制氢领域有着重要意义。

发明内容