[發(fā)明專利]一種金屬單原子/磷摻雜氮化碳光催化劑的制備方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810691745.5
• 申請(qǐng)日: 2018-06-28
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN108906105A
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-11-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 趙才賢;陳烽;焦培鑫;蘭富軍;詹夏;羅和安
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 湘潭大學(xué)
• 主分類號(hào): B01J27/24
• 分類號(hào): B01J27/24;C01B3/04
• 代理公司: 北京眾合誠(chéng)成知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11246
• 代理人: 張宇江

本發(fā)明公開(kāi)了一種金屬單原子/磷摻雜氮化碳光催化劑的制備方法，制備過(guò)程包括以下步驟：a)尿素金屬絡(luò)合物的制備：將金屬鹽與尿素于溶劑中反應(yīng)，得尿素金屬絡(luò)合物；b)熱縮聚：在惰性氣氛保護(hù)下，將尿素金屬絡(luò)合物與氮化碳前驅(qū)體混合均勻后熱縮聚，得熱縮聚產(chǎn)物；c)磷化：將熱縮聚產(chǎn)物與次亞磷酸鹽混合均勻后在惰性氣氛下熱處理，得一種金屬單原子/磷摻雜氮化碳光催化劑。采用本發(fā)明方法，制得金屬單原子負(fù)載量高達(dá)20wt％的氮化碳光催化劑；析氫速率為貴金屬鉑作為析氫助催化劑的磷摻雜氮化碳的2倍；具有原材料豐富、廉價(jià)，制備方法簡(jiǎn)單，制備成本低等優(yōu)勢(shì)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種金屬單原子/磷摻雜氮化碳光催化劑的制備方法，屬于光催化材料制備領(lǐng)域。

背景技術(shù)

光催化分解水技術(shù)是實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化、獲取清潔能源－氫能的理想方法之一。氮化碳是一種非金屬半導(dǎo)體光催化材料，具有原材料來(lái)源廣、制備簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、禁帶寬度較窄(約為2.7eV)、可見(jiàn)光響應(yīng)較好等優(yōu)勢(shì)。然而，光生電荷傳輸速率慢、太陽(yáng)能利用率較低等不足，導(dǎo)致太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)氮化碳光解水產(chǎn)氫的效率通常較低。

為了提高氮化碳的光解水產(chǎn)氫速率，目前的研究主要圍繞以下兩方面展開(kāi)：1)拓寬氮化碳的光譜響應(yīng)范圍，提高其可見(jiàn)光利用率。其中，非金屬元素如P、S等元素，摻雜改性氮化碳光催化材料已被證實(shí)是提高其可見(jiàn)光產(chǎn)氫速率的有效措施之一(J.Mater.Chem.A,2015,3,3862；Appl.Catal.B:Environ.,2017,205,319)；2)負(fù)載助催化劑，降低氮化碳光解水的活化能，促進(jìn)水分解反應(yīng)的發(fā)生。其中，貴金屬Pt具有較高的功函、優(yōu)良的析氫活性，是氮化碳光解水產(chǎn)氫最為常用的助催化劑之一。但是，貴金屬Pt存在價(jià)格高昂、地球儲(chǔ)量少等問(wèn)題，這無(wú)疑會(huì)限制其作為助催化劑在光解水技術(shù)中的實(shí)際應(yīng)用。

近年來(lái)，由于具有接近100％的原子利用率、較高的催化活性和選擇性、以及兼具均相催化和異相催化等優(yōu)勢(shì)，單原子催化在催化領(lǐng)域中引起了廣泛關(guān)注。研究表明，廉價(jià)金屬(指除貴金屬鉑、金之外的金屬)單原子負(fù)載氮化碳可以擺脫對(duì)貴金屬Pt析氫助催化劑的依賴，具有較好的光解水析氫活性(Angew.Chem.,2017,129,9440；Angew.Chem.,2017,56,12191)。但是，目前報(bào)道的廉價(jià)金屬單原子負(fù)載氮化碳的制備方法主要為浸漬法，廉價(jià)金屬單原子的負(fù)載量通常很低(～0.5wt％)，從而導(dǎo)致氮化碳的析氫活性位較少。因此，廉價(jià)金屬單原子負(fù)載氮化碳的光解水產(chǎn)氫活性并不高，與貴金屬Pt作為析氫助催化劑仍存在不少的差距(Angew.Chem.,2017,129,9440；Angew.Chem.,2017,56,12191)。提高廉價(jià)金屬單原子的負(fù)載量，不僅可以為氮化碳分解水反應(yīng)提供更多的反應(yīng)活性位，同時(shí)也能有效縮短光生電荷遷移至活性位點(diǎn)的距離，從而有望提高其光解水產(chǎn)氫的量子效率。然而，目前制備高負(fù)載量的、活性優(yōu)于Pt助催化劑的廉價(jià)金屬單原子/氮化碳光催化材料，尤其是禁阻能帶窄、可見(jiàn)光吸收范圍廣的高負(fù)載量廉價(jià)金屬單原子/氮化碳光催化材料仍是一大挑戰(zhàn)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種金屬單原子/磷摻雜氮化碳光催化劑，尤其是禁阻能帶窄、高負(fù)載量的金屬單原子/磷摻雜氮化碳光催化劑的制備方法。

一種金屬單原子/磷摻雜氮化碳光催化劑的制備方法，制備過(guò)程包括以下步驟：

a)尿素金屬絡(luò)合物的制備：將金屬鹽與尿素于溶劑中反應(yīng)，金屬鹽與尿素的質(zhì)量比為1:1～1:1000，得尿素金屬絡(luò)合物；

b)熱縮聚：在惰性氣氛保護(hù)下，將尿素金屬絡(luò)合物與氮化碳前驅(qū)體混合均勻后熱縮聚；尿素金屬絡(luò)合物與氮化碳前驅(qū)體的質(zhì)量比為1:0～1:100，得熱縮聚產(chǎn)物；

c)磷化：將熱縮聚產(chǎn)物與次亞磷酸鹽混合均勻后在惰性氣氛下熱處理，熱縮聚產(chǎn)物與次亞磷酸鹽的質(zhì)量比為1:0.1～1:5，得一種金屬單原子/磷摻雜氮化碳光催化劑。