[发明专利]磷掺杂的高活性类石墨相氮化碳纳米片及方法

说明书

本发明公开的磷掺杂的高活性类石墨相氮化碳纳米片的制备方法，具体为：步骤1，将磷酸铵与尿素按比例混合后，研磨；步骤2，将步骤1所得的磷酸铵与尿素混合均匀的粉体原料置于氧化铝坩埚中进行热处理；步骤3，将步骤2所得磷掺杂的类石墨相氮化碳与蒸馏水混合，将混合液体进行超声震荡；步骤4，将步骤3所得到的磷掺杂的类石墨相氮化碳纳米片水系分散液经过真空抽滤；步骤5，利用冷冻干燥机对步骤4得到的半干燥的磷掺杂类石墨相氮化碳纳米片进行干燥处理，即可获得磷掺杂的高活性类石墨相氮化碳纳米片。还公开了一种磷掺杂的高活性类石墨相氮化碳纳米片，显著提高了光催化材料降解有机染料的反应速率。

技术领域

本发明属于光催化剂的制备及结构调控技术领域，具体涉及一种磷掺杂的高活性类石墨相氮化碳纳米片，还涉及一种磷掺杂的高活性类石墨相氮化碳纳米片的制备方法。

背景技术

类石墨相氮化碳(g-C₃N₄)是一种新型非金属二维半导体材料，由于其独特的光电性质、丰富的原料来源以及廉价的合成方式等优点因而在光催化、光电化学、生物传感器和医学等领域极具应用潜力^[1]。通常，经过高温合成的类石墨相氮化碳是一种典型的块状材料，具有比表面积低、光生电荷复合率高和电导率低等特点，在常温下的禁带宽度约为2.7eV，对460nm以上的可见光缺乏吸收，其晶体结构有序度高、缺陷较少，因此缺乏暴露的活性中心，严重制约了其在光催化等领域的发展和应用。因此，针对类石墨相氮化碳的优化和改性是目前研究的热点之一。

为了克服这一限制，通过引入缺陷、掺杂和构建异质结等手段能够调制半导体的能带结构，对氮化碳进行改性和优化以提高其活性，一方面使光催化剂对可见光的吸收峰红移以增加对太阳光的利用率，另一方面提高光生载流子迁移率以促进光生电荷的分离，从而提高光催化效率。研究表明：氮缺陷的引入不仅使类石墨相氮化碳的吸收边发生了红移，而且可以促进光生电荷分离以提高光电转换效率，通过氢气等还原性气体在高温下对氮化碳进行处理，虽然可以产生氮缺陷，但是这些气体易燃易爆导致实验具有高度危险性。此外，将类石墨相氮化碳纳米化可以有效提高其比较表面积，从而在一定程度上增加其比表面积以提高吸附能力，这能促进光催化反应的进行，通过加入浓硫酸等强氧化性化学试剂可以将氮化碳进行剥离，但是经化学剥离的氮化碳纳米片含有大量杂质残留，不利于进一步的应用。然而，纳米化的同时也带来了不利的影响，一方面纳米g-C₃N₄因表面能较高而处于热力学不稳定状态，极易诱发自身团聚以减少有效比表面积从而降低吸附能力，另一方面纳米g-C₃N₄由于小尺寸效应而具有更宽的带隙，导致纳米g-C₃N₄对可见光的吸收峰出现蓝移而减少了对太阳光的利用率。

贺思如等人(国家发明专利公开号：CN112499604A)将类石墨相氮化碳纳米片置于氢气气氛下还原，获得具有氮空位密度的类石墨相氮化碳材料；或，将类石墨相氮化碳纳米片置于高温下加热，并在加热完成后置于空气中冷却，获得具有氮空位密度的类石墨相氮化碳材料。

王林等人(国家发明专利公开号：CN111266126A)使用硫脲高温热解制备硫掺杂类石墨相氮化碳纳米片，使用浸渍法制备硫掺杂类石墨相氮化碳负载石墨烯复合材料，使用碱热共沉淀法制备硫掺杂类石墨相氮化碳负载石墨烯和四氧化三铁复合光催化剂材料。

袁玉鹏等人(国家发明专利公开号：CN111153390A)采用高温合成法，其步骤为先将三聚氰酸、三聚氰氯和有机溶剂混合搅拌，得到混合液，再将混合液干燥，得到前驱体之后，将前驱体置于580-630℃下加热，制得目的产物。它具有较大的比表面积和具备较高的光催化分解水制氢性能，可极易于广泛地商业化应用于光催化制氢领域。

崔大祥等人(国家发明专利公开号：CN110841682A)通过将两种前驱体预处理、混合，然后热处理原位反应，生成氧化锡修饰的g-C₃N₄纳米片，实现SnO₂与g-C₃N₄的有效复合，构建异质结。