[发明专利]一种氮化铜助催化剂复合光催化剂的制备方法及其应用

说明书

本发明属于光催化材料的制备方法技术领域，公开了一种氮化铜助催化剂复合光催化剂的制备方法。其制备步骤如下：1.通过煅烧法制备石墨相氮化碳纳米片。2.以尿素为氮源、醋酸铜为铜源在管式炉中反应得到氮化铜。3.将氮化铜与氮化碳分散、研磨并蒸干得到氮化铜助催化剂复合光催化剂。本发明的优点在于：氮化铜在一价铜基二元化合物中表现出优异的导电性，沉积在氮化碳上的氮化铜可以快速抽离氮化碳产生的光生电子降低载流子复合率；其合适D带中心位置与氢吸附吉布斯自由能可以够改善质子的吸附/解吸平衡，从而提高析氢能力。且整个制备过程对设备无特殊要求，操作简单，易于控制，重复性好，绿色环保，有利于工业化生产。

技术领域

本发明涉及光催化技术领域，具体涉及氮化铜助催化剂复合光催化剂的制备方法及其应用。

背景技术

随着社会的发展能源危机与环境问题日益严峻，但对传统化石能源的需求却只增不减。因此亟待开发一种清洁的可再生能源，其中太阳能驱动的光催化产氢被认为是一种缓解能源危机和解决环境问题的有效办法。类石墨相氮化碳具有合适的能带结构、廉价易得且无毒无害，是一种极具潜力的可见光响应有机半导体催化剂。长期以来，光生载流子的快速复合导致电荷分离效率较低限制了氮化碳的太阳能转换效率。助催化剂因其具有优良的导电子能力，可以很好的解决光生电子-空穴复合问题而被广泛使用。大多数情况下氮化碳基光催化剂都需要利用贵金属铂纳米粒子作为助催化剂。然而，铂元素的实际应用受到了低存储量和昂贵的成本的限制。因此，开发一种具有类似析氢性能的廉价非贵金属助催化剂是实现可再生能源高效转化和存储的关键且具有挑战性的一步。

由于过渡金属氮化物独特的性质，被认为是替代贵金属铂的高效非贵金属助催化剂之一。金属晶格中引入氮原子会改变金属结构，导致晶格膨胀使费米能级附近的态密度增加。同时过渡金属氮化物具有良好的导电性等类金属特性，有利于光生载流子的高效递送和分离。它也通过提供额外的活性位点，降低了半导体表面光催化反应的过电势或活化能。此外，过渡金属氮化物具有成本低、热稳定性好、耐酸碱等优。在本发明中，选用氮化铜作为助催化剂。相较于其他铜基半导体，氮化铜的d-带中心与氢吸附吉布斯自由能也最接近铂。本发明通过煅烧的方法一步合成得到颗粒均匀的氮化铜立方体，相较于其他方法具有步骤少、制备条件简单的优点。

发明内容

本发明的一个目的是提供了一种氮化铜助催化剂复合光催化剂的制备方法，该方法首先通过煅烧的方法得到形貌规整的薄层氮化碳与立方体氮化铜，再将氮化铜沉积在薄层氮化碳上。利用氮化铜快速抽离氮化碳的光生电子降低载流子复合率，从而提高析氢能力。解决了现有光催化剂对可见光利用率不高、载流子易复合、析氢效率低等问题。

实现本发明目的的技术方案具体为：

一种氮化铜助催化剂复合光催化剂的制备方法，制备步骤如下：

(1)首先，向坩埚中加入三聚氰胺再放入马弗炉中以一定温度保持一定时间煅烧得到体相氮化碳；再将所得体相氮化碳研磨过筛；

(2)将步骤(1)过筛后的体相氮化碳放入方舟中，再次煅烧得到白色薄层氮化碳；

(3)将醋酸铜与尿素分别置于两个方舟中，依次放入管式炉，然后以一定的升温速度加热到一定温度反应一定时间，即可获得氮化铜；

(4)将步骤(3)得到的氮化铜与步骤(2)得到的薄层氮化碳于正己烷中分散，研磨蒸干后用乙醇洗涤、分离、干燥即可获得氮化铜助催化剂复合光催化剂。

步骤(1)中，所述煅烧温度为530-550℃，煅烧时间为3-5小时。

步骤(2)中，所述煅烧温度为530-550℃，煅烧时间为1-2小时。

步骤(3)中，尿素和醋酸铜的质量比为0.4-0.6g：0.2-0.4g；所述的升温速率为3-5℃/min，反应温度为200-350℃，反应时间为1-3小时。

步骤(4)中，氮化铜与氮化碳的用量比为0.07g：2g。