[發明專利]一種硫摻雜石墨相氮化碳光催化劑及其在光催化降解TCP反應及光催化制氫氣反應中的應用

在審

• 申請號: 201510029267.8
• 申請日: 2015-01-21
• 公開（公告）號: CN104722323A
• 公開（公告）日: 2015-06-24
• 發明（設計）人: 胡紹爭;李法云;范志平;王菲
• 申請（專利權）人: 遼寧石油化工大學
• 主分類號: B01J27/24
• 分類號: B01J27/24;A62D3/17;C01B3/04;A62D101/28
• 代理公司: 沈陽亞泰專利商標代理有限公司 21107
• 代理人: 郭元藝

技術領域

本發明屬于半導體光催化技術領域，具體涉及一種硫摻雜的石墨相氮化碳光催化劑及其在光催化降解TCP反應及光催化制氫氣反應中的應用。

背景技術

隨著近年來環境污染和能源危機為題的日益嚴重，太陽能，氫能等作為清潔能源正在逐步取代傳統化石能源走上歷史舞臺。半導體材料作為光催化劑引起了來自物理、化學、環保、材料等領域眾多學者的關注。目前的半導體光催化劑多為金屬氧化物和硫化物。半導體光催化劑在光照之下，價帶的電子吸收光能躍遷至導帶，使催化劑產生大量的電子-空穴對。這些電子和空穴具有很高的化學活性，分別能與反應底物發生還原反應和氧化反應。然而電子-空穴對很不穩定，極易復合，導致量子效率很低而嚴重影響光催化效率。此外，多數半導體催化劑能帶較寬，只能吸收波長小于400?nm的紫外光，而太陽光中紫外光只占3~5%，極大地限制了對太陽能的利用。

近年來，石墨相氮化碳（g-C₃N₄）作為非金屬半導體催化劑，得到了眾多學者的關注。g-C₃N₄具有類似于石墨的層狀結構，由單層的氮化碳通過層層堆疊而成，其基本結構單元為三嗪環和3-s-三嗪環，如下式所示。g-C₃N₄具有無毒，熱穩定性好、耐酸堿腐蝕等優點，其組成只有C和N，均為地球富含元素。此外，g-C₃N₄的能帶寬度適中，約為2.7?eV，可以直接吸收利用可見光，因此在光催化分解水制氫氣，降解有機污染物等領域被廣泛應用。雖然g-C₃N₄具有適中的能帶，可以直接利用可見光，然而其電子-空穴分離效率仍然較低，大大限制了其實際應用的價值[Nat.?Mater.?2009,?8,?76-80]。

g-C₃N₄的基本結構單元三嗪(A)和3-s-三嗪(B)示意式。

摻雜法是提高電子-空穴分離效率的有效途徑。硫作為非金屬元素是g-C₃N₄的常用摻雜劑之一。硫摻雜除了能有效抑制電子-空穴的復合外，還能提高g-C₃N₄對可見光的吸收能力，對光催化性能的提高有著積極的促進作用。常見的制備硫摻雜g-C₃N₄催化劑的方法是將含硫物質（硫脲，三聚硫氰酸等）焙燒使其自身縮聚得到產物[Energy?Environ.?Sci.?2011,?4,?675-678;?J.?Mater.?Chem.?2012,?22,?15006-15012]。此方法硫元素容易以氣體形式溢出，摻入晶格的硫含量很小。其他一些含硫化合物（如單質硫，硫氰酸銨）改性的g-C₃N₄催化劑中更是檢測不出硫元素[J.?Mater.?Chem.,?2012,?22,?8083-8091;?J.?Mater.?Chem.,?2011,?21,?13032-13039;?ACS?Catal.?2012,?2,?940-948]。

發明內容

本發明目的在于提供一種具有更高的活性，更大的比表面積，更強的可見光吸收能力，更高的電子-空穴分離效率及更優越催化活性的硫摻雜的石墨相氮化碳光催化劑。

本發明的另一目的是提供一種硫摻雜的石墨相氮化碳光催化劑在光催化降解TCP反應及光催化制氫氣反應中的應用。

為解決上述技術問題，本發明是這樣實現的。

?硫摻雜石墨相氮化碳光催化劑，系采用介質阻擋放電等離子體發生器，以H₂S為放電氣體對石墨相氮化碳光催化劑進行放電，使硫物種摻入石墨相氮化碳晶格。

作為一種優選方案，本發明所述放電過程中的放電頻率為8~12?kHz，調壓器輸入電壓為60~80?V，放電氣體流速為60~100?ml/min，放電時間為10~30?min。

進一步地，本發明所述的石墨相氮化碳的制備方法如下，將5?g三聚氰胺裝入坩堝中，520?^oC焙燒2?h，升溫速率均為5?^oC/min，空氣氣氛，冷卻至室溫，得到石墨相氮化碳光催化劑。

?上述硫摻雜石墨相氮化碳光催化劑在光催化降解TCP反應及光催化制氫氣反應中的應用。