[發明專利]一種光催化劑及其制備方法與應用

有效

• 申請號: 201910520497.2
• 申請日: 2019-06-17
• 公開（公告）號: CN110523421B
• 公開（公告）日: 2021-05-25
• 發明（設計）人: 王侯;張荊晶;袁興中;蔣龍波
• 申請（專利權）人: 湖南大學
• 主分類號: B01J27/24
• 分類號: B01J27/24;B01J35/10;B01J37/08;C02F1/30;C02F101/38
• 代理公司: 北京海虹嘉誠知識產權代理有限公司 11129
• 代理人: 向群

本發明“一種光催化劑及其制備方法與應用”，屬于光催化技術領域。所述光催化劑為一價銅離子修飾的氮化碳骨架材料，且為多孔結構。本發明的一價銅離子修飾的氮化碳骨架光催化劑具有綠色環保、比表面積大、對可見光吸收能力強、光生電荷分離速率快、光催化活性高、化學性質穩定、耐腐蝕等優點，其制備方法具有簡單、易操控、原料易得、成本低、適于連續大規模批量生產等優點。

技術領域

本發明屬于光催化技術領域，具體涉及一種光催化劑及其制備方法與應用。

背景技術

近年來，由于能源危機和環境污染問題日益突出，利用光催化劑降解環境中的污染物作為一種環境友好和低成本的技術受到了廣泛的關注。目前常用的光催化劑為二氧化鈦。雖然二氧化鈦具有無毒、高效和低廉的優點，但是其較寬的禁帶寬度導致其只能吸收太陽光中大約4％的紫外光，這大大限制了其應用。因此，發展一種能夠在可見光下發生催化作用、價格低廉、性能穩定的光催化劑或者其復合材料至關重要。

氮化碳(g-C₃N₄)是一種具有可見光響應的光催化材料，自其問世就受到人們的廣泛關注。由于氮化碳具有優異的化學穩定性和獨特的電子能帶結構，而且還具有無毒、不含金屬組分和對可見光響應等優點，它被廣泛地應用于光催化過程，如光催化水裂解、選擇性光有機合成以及空氣或水中有機污染物的消除等方面。但是純相石墨化氮化碳的能隙約為2.7eV，只能利用460nm以下的太陽光，且聚合產物為密實塊體顆粒，存在比表面積低、光生載流子分離能力較弱、光催化活性差等問題，限制了材料的應用范圍。目前，已有研究采用多孔和納米結構構造、半導體異質復合和元素摻雜等方法改善氮化碳基材料的結構形貌特性，從而提高其光催化性能。其中，利用元素摻雜是一種切實可行地設計高量子效率氮化碳基光催化材料的重要方法。

為了改善石墨相氮化碳的可見光催化活性和催化穩定性，研究人員開展了一系列石墨相氮化碳的改性研究。然而，現有的改性方法主要集中在采用元素進行摻雜或者與其他半導體構成異質結。雖然單獨采用元素摻雜或者構建異質結能夠提升氮化碳某一方面的性能，但不能做到全面的提升，如比表面積、光吸收性能、電子空穴對分離等。因此，如何全面改善石墨相氮化碳光生電子-空穴對復合速率快、比表面積低、光吸收效率低、光催化活性差等問題，對擴大石墨相氮化碳材料的應用范圍具有重大意義。

發明內容

本發明要解決的技術問題是克服現有技術的不足，結合了元素摻雜和構建異質結的方法，提供一種綠色環保、比表面積大、對可見光吸收能力強、光生電荷分離速率快、光催化活性高、化學性質穩定、耐腐蝕的一價銅離子修飾的氮化碳骨架光催化劑，還提供了一種制備工藝簡單、易操控、原料易得、成本低、適于連續大規模批量生產的一價銅離子修飾的氮化碳骨架光催化劑的一步制備方法。

為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是：

一種光催化劑，其特征在于，為一價銅離子修飾的氮化碳骨架材料，且為多孔結構。

氮化碳骨架不僅為一價銅離子提供摻雜位點，也為氧化亞銅提供負載平臺。摻雜的含義是：一價銅離子與氮化碳本體里面的有機氮原子成鍵，可達到改善氮化碳材料的光學性能的目的。銅離子的摻雜可使氮化碳骨架材料發生“摻雜效應”，即，當氮化物中摻入另一種價態不同的陽離子時，由于陽離子之間的相互作用和電荷重新分布，使氮化物中的離子缺陷濃度和電子缺陷濃度發生變化。而本發明一價銅離子的摻雜會在氮化碳半導體的禁帶中引入一些雜質能級，使氮化碳半導體能對較長波長的光子產生響應，拓寬了對光的利用區域，并且銅離子的摻雜會增強光生載流子的分離效率，從而增強了光催化性能。

所述一價銅離子修飾的氮化碳骨架材料的具體結構為氧化亞銅負載和一價銅離子摻雜的氮化碳骨架；所述一價銅離子修飾的氮化碳骨架材料的比表面積57.4m²/g。

所述一價銅離子修飾的氮化碳骨架材料中的一價銅離子存在形式為摻雜型銅離子與晶體氧化亞銅。