[發明專利]氮空位氧摻雜的空心多孔棱柱狀氮化碳及其應用

在審

• 申請號: 201811556511.6
• 申請日: 2018-12-19
• 公開（公告）號: CN111330612A
• 公開（公告）日: 2020-06-26
• 發明（設計）人: 付永勝;黃婷;汪信;朱俊武;虞春燕;向憶南;黃夏露;劉冰倩
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: B01J27/24
• 分類號: B01J27/24;B01J35/10;B01J37/10;C01C1/04
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 鄒偉紅

本發明公開了一種氮空位氧摻雜的空心多孔棱柱狀氮化碳及其應用。該氮化碳材料通過焙燒棱柱狀超分子前驅體所制得。本發明所制備的氮化碳成功設計并引入了氮空位氧摻雜的結構，為氮氣的強吸附活化提供了豐富的活性位點；本發明所制備的氮化碳具有空心多孔棱柱的形貌，具有較大的比表面積，有利于活性位點的暴露以及光生載流子的有效分離和遷移，從而極大地提高了原有氮化碳的可見光固氮的催化性能。

技術領域

本發明涉及一種氮空位氧摻雜的空心多孔棱柱狀氮化碳在光催化固氮方面的應用，屬于納米材料制備領域。

背景技術

氨（NH₃）是世界上生產最為廣泛的化學品之一，目前大部分生產用作肥料，同時也被認為是可再生資源的便攜式“能量存儲”（因其儲氫密度達 17.6wt.%）。自然界固定氮主要通過閃電和固氮細菌，但遠遠滿足不了農業生產的需求。而人工固氮采用的仍是傳統的Haber-Bosch法，其耗能高且環境污染嚴重。因此，尋找一種綠色、低能耗、低成本的固氮工藝十分必要。近年來，多相光催化技術以其綠色清潔、反應條件溫和、低能耗等優點在光降解污染物、制氫、產氧、還原等多領域引起了廣泛的關注，將光能引入固氮反應體系則有可能實現溫和、綠色的反應條件，這一新型的光催化固氮方法成為目前科學研究中的重要課題。

傳統石墨相氮化碳（g-C₃N₄）作為非金屬半導體材料，已在光催化領域取得了顯著的進展。通過理論計算和實驗表明，g-C₃N₄具有合適的禁帶寬度（Eg=2.7 eV），其導帶和價帶的位置分別為+1.4 V和-1.3 V（VS NHE pH=7.0）；而固氮所需要的N₂還原NH₃的電勢E_N2/NH3=-0.0920 V，這說明在理想狀態下g-C₃N₄可以滿足光催化N₂還原NH₃的熱力學要求。Dong等人設計通過連續焙燒法合成了N空位的g-C₃N₄，實驗結果表明g-C₃N₄表面N空位結構能夠選擇性吸附并活化N₂[Guohui Dong, Wingkei Ho, Chuanyi Wang. Selectivephotocatalytic N₂ fixation dependent on g-C₃N₄ induced by nitrogen vacancies[J]. Journal of Materials Chemistry A, 2015, 3(46):23435-23441.]。Zhang等人通過引入ZnMoCdS金屬材料設計構造了g-C₃N₄/ZnMoCdS異質結催化劑，實驗結果證明催化劑表面S空位結構能提供活性位點吸附和活化N₂，從而提高光催化固氮性能[Zhang Q, Hu S,Fan Z, et al. Preparation of g-C₃N₄/ZnMoCdS hybrid heterojunction catalystwith outstanding nitrogen photofixation performance under visible light viahydrothermal post-treatment[J]. Dalton Trans, 2016, 45(8):3497-3505]。氨的合成反應關鍵在于N₂的吸附和活化，但光催化過程關鍵在于活性位點的暴露以及光生載流子的遷移和分離效率。上述所報道的g-C₃N₄雖然通過引入N空位、S空位提供吸附活化N₂的活性位點，但由于自身存在不可忽視的缺點，例如比表面積小，片層堆垛結構；所以即便設計了吸附氮氣的活性位點，但因所暴露出的活性位點少以及載流子的遷移速率慢等缺點不足以滿足氮分子的吸附和活化，從而影響其光催化固氮性能。

發明內容