[发明专利]具有三配位氮空位氮化碳纳米材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及光催化剂技术领域，尤其涉及具有三配位氮空位氮化碳纳米材料光催化剂及其制备方法和应用。所述纳米材料为片层状石墨相氮化碳结构，三配位氮空位被引入到氮化碳结构，其中，所述三配位氮空位是指石墨相氮化碳纳米片的庚嗪单元骨架中的三配位氮原子缺失。本发明制得的具有三配位氮空位氮化碳纳米材料光催化剂是无贵金属的高效光催化剂。该光催化剂能够有效促进光生电子的传输和光生电子空穴对的分离，实现显著地光催化产氨效果，具有高效的光催化活性。

技术领域

本发明属于光催化剂技术领域，具体为涉及具有三配位氮空位氮化碳纳米材料及其制备方法和应用。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

能源危机和环境污染是当今人类面临的两大重要挑战。氨被认为是解决未来的能源和环境危机的重要的清洁化工资源。氨不仅广泛应用于现代生产和生活中，还被用作清洁能源载体和燃料。但是，用于工业固氮的Haber-Bosch工艺需要苛刻的反应条件，会消耗巨大的能量并释放大量的二氧化碳。光催化是将太阳能转化为化学能的最理想和最环保的技术之一，具有巨大的应用价值。在清洁化学资源(氨)的生产中具有重要意义，有望解决目前合成氨的障碍。

在众多光催化材料中，石墨相氮化碳是一种二维层状结构，具有独特的电子结构、可调谐的光学性质，被广泛用于光催化氧化还原反应。但是，石墨相氮化碳的光催化活性受到光生载流子复合率高、光捕获效率低和活性位点不足的限制。石墨相氮化碳的缺陷工程(碳和氮空位)是一种可以有效提高光催化性能的策略。具体而言，石墨相氮化碳中的氮空位可以加速光生载流子的转移，提供足够的反应位点来改善反应物的吸附，并降低光化学反应的活化能或过电位。重要的是，不同位置的氮空位对光催化性能表现出不同的影响。有助于提高石墨相氮化碳光催化性能的氮缺陷主要有末端氨基和双配位氮空位，其中末端氨基可以促进光生载流子分离，而双配位氮空位可以缩小带隙并提高光吸收。但是，发明人发现，关于三配位氮空位对石墨相氮化碳光催化性能的作用的相关报道仍然很少。

发明内容

为了解决现有石墨相氮化碳光催化材料存在的光生载流子复合率高、光捕获效率低和活性位点不足的技术问题。本发明的目的是提供一种具有三配位氮空位氮化碳纳米材料光催化剂及其制备方法和应用。本发明制得的具有三配位氮空位氮化碳纳米材料可以实现优异的光催化产氨活性，是一种高效光催化剂。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一个方面，提供了一种具有三配位氮空位氮化碳纳米材料的制备方法，包括：

将乙酸铵和尿素粉末充分研磨，制得混合液；

将所述混合液转移到坩埚中，于500-600℃下煅烧1-3h，得到具有三配位氮空位氮化碳纳米材料光催化剂；

其中，乙酸铵与尿素的用量比为0.1-0.5：1-15。

本发明的第二个方面，提供了上述的方法制备的具有三配位氮空位氮化碳纳米材料，三配位氮空位位于石墨相氮化碳纳米片的庚嗪单元骨架中的三配位氮原子处。

本发明的第三个方面，提供了上述的具有三配位氮空位氮化碳纳米材料在光催化产氨中的应用。

本发明的有益效果

(1)本发明的具有三配位氮空位氮化碳纳米材料光催化剂，引入三配位氮空位的氮化碳光催化产氨速率达到了1903μmol h^-1g^-1，是纯石墨相氮化碳纳米片的9.4倍。