[發明專利]一種碳點改性的石墨相氮化碳空心球光催化劑及其制備方法與應用

在審

• 申請號: 202011564729.3
• 申請日: 2020-12-25
• 公開（公告）號: CN112371161A
• 公開（公告）日: 2021-02-19
• 發明（設計）人: 徐慎剛;林治;劉應良;曹少魁;丁遠;張麗;石軍;王昆侖
• 申請（專利權）人: 鄭州大學
• 主分類號: B01J27/24
• 分類號: B01J27/24;B01J35/08;B01J35/10;C01B3/04
• 代理公司: 鄭州豫乾知識產權代理事務所(普通合伙) 41161
• 代理人: 任偉柯

本發明涉及一種碳點改性的石墨相氮化碳空心球光催化劑的制備及應用，屬于材料制備和光催化技術領域。該光催化劑是使用石墨相氮化碳前驅體和碳點前驅體的混合物作為產物的前驅體，介孔二氧化硅作為硬模板，通過原位熱聚合和模板刻蝕的方法得到，并將其應用到光催化反應中。該方法制備的碳點改性石墨相氮化碳具有空心球結構，材料粒徑均一、且具有良好的可見光吸收能力。與傳統氮化碳材料相比，該材料具有較大的比表面積、以及較高的太陽光吸收利用率，在可見光下能夠表現出高效的光催化性能。本發明中材料制備方法簡單、催化效率高、價格低廉，符合實際生產需求，具有廣闊的應用前景。

技術領域

本發明屬于材料制備和光催化技術領域，具體涉及一種碳點改性的石墨相氮化碳空心球光催化劑及其制備方法與應用。

背景技術

隨著化石燃料的大量開采與使用，環境污染和能源短缺問題日益嚴重。人們一直致力于尋求可用于替代化石燃料的清潔能源，而氫氣憑借其所具有的綠色可再生特性，吸引了人們廣泛的關注。利用自然界中的太陽能進行光催化分解水制取氫氣，已經成為當前研究的熱點。近年來，類石墨相氮化碳材料作為一種無金屬光催化劑在光催化分解水產氫領域表現出了良好的發展前景。然而，類石墨相氮化碳依然存在較大的缺點，例如光吸收范圍窄、光生載荷復合率高、比表面積小等，嚴重限制了類石墨相氮化碳的廣泛應用。

將氮化碳與碳材料，如石墨烯、碳納米管等進行復合改性可有效提高材料對光的吸收利用能力，改善光生電子空穴對復合效率（Int. J. Hydrogen. Energy. 2019, 44,10316）。在眾多被用于與氮化碳復合的碳材料中，碳點是一種受到廣泛關注的新型材料，主要是碳點具有上轉換光致發光特性、尺寸小、合成方法簡單等優點（Appl. Cat. B:Environ. 2016, 180, 656）。但是，大多數碳點/氮化碳復合光催化劑的比表面積仍然較小，不能實現高效的光催化分解水反應。因此有必要通過簡單的方法制備具有大比表面積的碳點改性氮化碳材料，并應用到光催化分解水反應中。

將碳點改性的手段引入到空心球氮化碳光催化劑的相關研究尚未見報道。本發明通過引入碳點的方式對空心球氮化碳材料進行改性，可以進一步拓寬材料的光吸收范圍，改善材料內部的電子-空穴分離效率；得益于空心球結構的存在，光催化劑的比表面積也得到顯著增加，從而顯著提高了材料的光催化性能。實驗證明，碳點改性的空心球氮化碳光催化劑是一種高效的可見光催化劑，在光催化領域具有廣泛的應用前景。

發明內容

本發明的目的在于提供一種碳點改性的石墨相氮化碳空心球光催化劑及其制備方法，同時本發明還公開了該光催化劑在制氫中的應用。本發明的制備方法簡單、價格低廉且所制備的碳點改性的石墨相氮化碳空心球光催化劑具有優異的光催化分解水產氫能力和良好的循環穩定性。

為達到上述發明目的，本發明采取以下技術方案：

一種碳點改性的石墨相氮化碳空心球光催化劑，所述光催化劑是使用類石墨相氮化碳前驅體和碳點前驅體的混合物作為產物的前驅體，介孔二氧化硅作為硬模板，通過原位熱聚合和模板刻蝕的方法得到。

所述類石墨相氮化碳前驅體為單氰胺、雙氰胺、三聚氰胺、尿素和硫脲中的一種。

所述碳點前驅體為葡萄糖、麥芽糖、糖原、檸檬酸和抗壞血酸的一種。

所述碳點改性的石墨相氮化碳空心球光催化劑的制備方法，包括以下步驟：

1）將類石墨相氮化碳前驅體和碳點前驅體溶于二氧化硅球溶膠的水溶液中，超聲、40～60℃攪拌、離心、洗滌、干燥；所述類石墨相氮化碳前驅體、碳點前驅體和二氧化硅的用量比為5 g : (1~10) mg : 1 g；

2）將步驟1）得到的產物在管式爐中于400～550℃下保溫2～4 h，之后自然冷卻至室溫，保溫過程中持續通入保護氣；