[發明專利]碳自摻雜的石墨相氮化碳/二氧化鈦納米復合材料及其制備方法、應用

在審

• 申請號: 201810060676.8
• 申請日: 2018-01-22
• 公開（公告）號: CN108355692A
• 公開（公告）日: 2018-08-03
• 發明（設計）人: 王靖宇;馬亞娟;徐曉峰;許民;徐子歷;李濤
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: B01J27/24
• 分類號: B01J27/24;B01J37/03;B01J37/08;C01B3/04
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 張秋燕

本發明公開了碳自摻雜的石墨相氮化碳/二氧化鈦納米復合材料的制備方法，主要包括如下步驟：第一步，將碳自摻雜的石墨相氮化碳均勻分散于水中，然后滴加鈦鹽的醇溶液，于溫度50～80℃攪拌反應1～2h，得到黃色粘稠溶液；然后黃色粘稠溶液中繼續加入HNO₃水溶液，繼續于50～80℃連續攪拌4～16h，分離出固體產物；第二步，將第一步所得固體產物洗滌干燥后，在保護氣氛下于進行煅燒，得到碳自摻雜的石墨相氮化碳/二氧化鈦納米復合材料。本發明所得納米復合材料中TiO₂納米顆粒尺寸在5nm左右，比較均勻的分散在C?CN的表面和矩陣中，不僅可見光的產氫性能顯著提高，而且還具備優良的循環穩定性。

技術領域

本發明屬于有機聚合物/無機半導體納米復合材料的領域，具體涉及碳自摻雜的石墨相氮化碳/二氧化鈦納米復合材料及其制備方法、應用。

背景技術

隨著非可持續化石燃料的逐漸枯竭，人們越來越關注清潔可再生能源的發展，以滿足經濟和工業生產的快速增長。使用納米結構的光催化劑來光催化分解或還原水分子以產生H₂氣體是開發新一代太陽能燃料的最有效策略之一。近年來，類石墨相氮化碳(CN)因其熱穩定性和化學穩定性，低成本和特殊的光學特性而被廣泛關注。CN是一種新型的可見光光催化劑，由于原子與原子之間形成的高能共價鍵，使其化學性質非常穩定，不會發生光腐蝕現象。此外，自然界豐富的C、N元素使其成為一種廉價易得的半導體光催化材料。CN的禁帶寬度為2.7eV，能夠利用波長小于460nm部分的可見光及紫外光。CN的導帶位置為-1.3eV，表明CN導帶中被激發產生的電子具有較強的還原能力，有利于還原H₂O產生H₂。

然而，在CN分子中，雖然CN環內部可以形成離域π鍵，有利于電子的傳輸，但各個CN環層間主要由范德華力起作用。因此，被激發產生的電子在由體相遷移至表面的過程中，在CN環層間受到較大的遷移阻力，導致光生電子-空穴對負荷率較高，并最終導致光催化效率下降。因此如何解決光響應范圍窄和量子效率低的問題就成了CN光催化領域主要的研究課題。

迄今為止，已有許多嘗試合成CN/TiO₂異質結構以實現寬光子區域和高激子解離效率的方法，合成的方法主要有超聲混合法，溶劑熱法，水熱法，溶膠凝膠法，原位熱引發聚合法，浸漬法等。盡管形成CN/TiO₂異質結構對提高光催化活性是有效的，但是制備具有良好互相連接的TiO₂和CN相的這種異質結構還是一種挑戰。異質界面上形成的勢壘不可避免的地阻礙電荷載流子的遷移，導致光生電子-空穴對的復合速率較高。除此之外，盡管已經探索了各種合成方法，但在文獻中報道的許多CN/TiO₂復合物中，TiO₂和CN不能均勻的復合。此外，CN在TiO₂顆粒上的包裹難以控制。這些問題導致較差的界面結合，從而阻礙了光生載流子的快速遷移。因此，在異質結構中實現協同作用仍然是一個很大的挑戰。另外，由于的光吸收能力有限以及氫氣析出的超大超電勢使CN/TiO₂異質結構的光催化產氫的效率仍然不令人滿意。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是針對上述現有技術存在的不足而提供一種浸漬法制備碳自摻雜的石墨相氮化碳/二氧化鈦納米復合材料，所得納米復合材料中TiO₂納米顆粒尺寸在 5nm左右，比較均勻的分散在C-CN的表面和矩陣中，不僅可見光的產氫性能顯著提高，而且還具備優良的循環穩定性。

本發明為解決上述提出的問題所采用的技術方案為：

碳自摻雜的石墨相氮化碳/二氧化鈦納米復合材料，其制備方法主要包括如下步驟：

第一步，將碳自摻雜的石墨相氮化碳(C-CN)均勻分散于去離子水中，然后滴加鈦鹽的醇溶液，于溫度50～80℃攪拌反應1～2h，得到黃色粘稠溶液；然后黃色粘稠溶液中繼續加入HNO₃水溶液，繼續于50～80℃連續攪拌4～16h，分離出固體產物；