[发明专利]一种高比表面积氮空位型氮化碳的制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种高比表面积氮空位型氮化碳的制备方法及其应用，属于纳米材料制备技术领域。本发明以三聚氰胺为原料，进行高温煅烧聚合，得到黄色氮化碳中间体材料；再将氮化碳中间体材料置于管式炉中，并通入小分子有机酸蒸汽和氩气的混合气，进行高温热处理，降温后即制得高比表面积氮空位型氮化碳。本发明合成的高比表面积氮空位型氮化碳纳米片的收率高，合成过程简单、条件温和，成本低，容易实现规模化制备；合成过程只需要廉价的三聚氰胺和乳酸、甲酸为原料，且不需要特殊的处理设备；制备的氮化碳纳米片比表面积大，并且在合成纳米片的过程中引入大量的氮缺陷有利于提升电子和空穴的分离，从而有效提高光催化性能。

技术领域

本发明属于纳米材料制备技术领域，具体涉及一种高比表面积氮空位型氮化碳的制备方法及其应用。

背景技术

氮化碳由于其独特的电子结构、良好的热稳定性以及制备简单、原料丰富等优点在光催化领域备受关注。自从Wang首次发现氮化碳光催化制氢以来(Nat.Mater.,2009,8,76–80)，由于其在太阳能转化和化学品合成方面的巨大潜力，已经在开发基于氮化碳的光催化剂方面做了相当大的努力。不幸的是，直接高温热缩聚合成的氮化碳，由于其低的比表面积、快速的光生电荷载流子复合以及弱的底物分子吸附、活化性能，极大地限制了这类材料在光催化太阳能转化方面的应用。为了克服以上存在问题，各种策略被用于氮化碳性能改进，例如杂原子掺杂、构建异质结和纳米结构设计已被开发以改善氮化碳的电子性质和催化性能。其中，空位/缺陷工程被认为是提高氮化碳光催化性能的有效方法。例如，Zhang和同事报道，氮空位改性氮化碳可以改善电荷载流子分离，因此改性后的氮化碳光催化制氢能力明显增强(Adv.Mater.,2017,29,1605148)。我们课题组制备了一种碳空位修饰的氮化碳光催化剂，并发现碳空位可以促进CO₂活化，同时稳定COOH*中间体，从而提高CO₂还原反应动力学(Angew.Chem.Int.Ed.,2019,58,1134-1137)。尽管在氮化碳空位/缺陷的设计和构建方面取得了很大进展，但其性能改善仍然有限。此外，大多数已报道的空位/缺陷植入方法都需要复杂而繁琐的制备过程。因此，迫切需要开发一种简单、高效的的方法在氮化碳表面植入空位/缺陷位点。

发明内容

针对目前空位型氮化碳合成过程复杂、可控性差以及制备过程存在污染等问题，本发明提供了一种高比表面积氮空位型氮化碳的制备方法及其应用。

为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：

一种高比表面积氮空位型氮化碳的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，以三聚氰胺为原料，进行高温煅烧聚合，得到黄色氮化碳中间体材料；

步骤2，将步骤1得到的氮化碳中间体材料置于管式炉中，并通入小分子有机酸蒸汽和氩气的混合气，进行高温热处理，降温后即制得高比表面积氮空位型氮化碳。选用管式炉是为通气做前期准备，保证氮化碳中间体在小分子有机酸蒸汽气氛下进行反应；选小分子有机酸，高温易分解；用氩气作为载气将小分子有机酸引入管式炉，在高温条件下小分子有机酸分解产生不同的含氧、含碳自由基，这些高能量自由基可以进攻氮化碳片层，进而产生氮空位氮化碳产品。

进一步，步骤1中高温煅烧聚合的温度为550℃。三聚氰胺前驱体在不同温度处理下有不同的聚合程度，这里550℃处理，是为了增加反应程度，提高聚合度。

进一步，步骤1中高温煅烧聚合的恒温时间3h。已基本完成氮化碳前驱体聚合反应。

进一步，步骤2中小分子有机酸为乳酸、甲酸。乳酸122℃、甲酸108℃均有较低的气化分解温度。