[發(fā)明專利]一種多缺陷石墨相氮化碳光催化劑的制備方法和應(yīng)用

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011212460.2
• 申請日: 2020-11-03
• 公開（公告）號: CN112316970A
• 公開（公告）日: 2021-02-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 余愿;李麗;黃洛;孟方友;孫東峰;許并社
• 申請（專利權(quán)）人: 陜西科技大學(xué)
• 主分類號: B01J27/26
• 分類號: B01J27/26;B01J35/00;C01C1/02
• 代理公司: 西安智大知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所 61215
• 代理人: 王晶

本發(fā)明涉及一種多缺陷石墨相氮化碳材料的制備方法及應(yīng)用。所述VN?BC?CN光催化劑是將雙氰胺和硼酸的混合水溶液在70～90℃旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)，獲得的前驅(qū)體在550～650℃下發(fā)生熱縮合所得。本發(fā)明原料價格低廉，合成工藝簡單，重復(fù)性好，易于大規(guī)模生產(chǎn)。本發(fā)明所得的VN?BC?CN光催化劑擁有氮空位、硼雜質(zhì)原子以及氰基三種缺陷，材料的阻抗減小，具有缺陷能級，有利于光催化反應(yīng)。將其應(yīng)用于光催化固氮，在2h內(nèi)VN?BC?CN的光催化固氮效率可達(dá)39.28mg/L/g_cat/h，是相同方法下不添加硼酸制得的純石墨相氮化碳光催化固氮效率的25.5倍。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光催化劑技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種多缺陷石墨相氮化碳光催化劑的制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)

氨是工農(nóng)業(yè)發(fā)展中非常重要的化學(xué)物質(zhì)，但是自然界擁有的固氮方式和固氮量并不能滿足工農(nóng)業(yè)發(fā)展的需要，人工合成氨必不可少。目前工業(yè)上應(yīng)用最多的是Haber-Bosch法，但這種方法在高溫高壓下才能進(jìn)行，需要用到大量的氫能，是一個高能耗產(chǎn)業(yè)，而且生產(chǎn)過程中會釋放大量的二氧化碳，不符合現(xiàn)在工業(yè)上“節(jié)能、綠色、環(huán)保”的新要求，這就要求我們尋找新的方式合成氨。光催化固氮可以利用清潔可再生的太陽能作為能量來源，反應(yīng)在常溫常壓的溫和條件下即可進(jìn)行，原料使用氮?dú)夂退碑a(chǎn)物為氧氣，對環(huán)境無危害，節(jié)能環(huán)保，是最有前景的人工固氮方式。但是目前光催化固氮發(fā)展還不成熟，面臨很多技術(shù)難題，合適的光催化劑就是其中一項(xiàng)。

石墨相氮化碳是目前材料界公認(rèn)的性能優(yōu)良的非金屬半導(dǎo)體光催化劑，其帶隙和能帶位置都能滿足光催化固氮的要求，合成原料來源廣泛，成本低廉，制作工藝簡單，是一種有望實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)的光催化劑。但是材料本身對氮?dú)獾奈叫暂^低，光激發(fā)生成的電子和空穴易復(fù)合，可見光利用率較低，制約了材料的光催化固氮性能。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種多缺陷石墨相氮化碳光催化劑的制備方法和應(yīng)用，所得的VN-BC-CN光催化劑擁有氮空位、硼雜質(zhì)原子以及氰基三種缺陷，材料的阻抗減小，具有缺陷能級，有利于光催化反應(yīng)，原料價格低廉，合成工藝簡單，重復(fù)性好，易于大規(guī)模生產(chǎn)。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種多缺陷石墨相氮化碳光催化劑的制備方法，包括以下步驟；

步驟1：將雙氰胺和硼酸依次加入40～60mL超純水中攪拌均勻，用恒溫油浴繼續(xù)攪拌使混合水溶液中的水分蒸發(fā)，所得的固體50～70℃烘干后得到前驅(qū)體；

步驟2：將獲得的前驅(qū)體放入管式爐煅燒，煅燒后緩慢冷卻至室溫，得到VN-BC-CN光催化劑。

所述步驟1中雙氰胺和硼酸的質(zhì)量比為1:0.09～0.27。

所述步驟1中恒溫油浴的溫度為70～90℃。

所述步驟2中的升溫速率為1～5℃/min。

所述步驟2中的煅燒溫度為550～650℃。

所述步驟2中的煅燒時間為3～5h。

所述VN-BC-CN光催化劑用于光催化固氮。

所述VN-BC-CN光催化劑用于超純水作質(zhì)子源，在不添加空穴捕捉劑情況下將氮?dú)廪D(zhuǎn)化為氨。

本發(fā)明的有益效果：

1)采用上述制備方法，本發(fā)明所述的石墨相氮化碳骨架中同時出現(xiàn)三種缺陷，分別是硼原子、氰基摻雜和氮空位，缺陷的存在導(dǎo)致了價帶和導(dǎo)帶之間缺陷能級的出現(xiàn)，使材料具備更好的光催化性能。該材料的缺陷能級靠近導(dǎo)帶位置，缺陷能級的存在，一方面可以阻止光生電子和空穴的復(fù)合，另一方面可以利用較低能量的光激發(fā)的光生電子，即可以利用較長波長的光，從圖3紫外-可見漫反射光譜顯示為VN-BC-CN催化劑的光吸收邊紅移。