[發明專利]一種用于光催化產過氧化氫的氮化碳基同質結、其制備方法及應用

有效

• 申請號: 202110068509.X
• 申請日: 2021-01-19
• 公開（公告）號: CN112742436B
• 公開（公告）日: 2022-10-18
• 發明（設計）人: 姬汀爍;于春霞;郭艷珍;張守仁;楊保成;魏學鋒
• 申請（專利權）人: 黃河科技學院
• 主分類號: B01J27/24
• 分類號: B01J27/24;C01B15/027;C01B21/082
• 代理公司: 鄭州聯科專利事務所(普通合伙) 41104
• 代理人: 張麗

本發明公開一種用于光催化產過氧化氫的氮化碳基同質結、其制備方法及應用，屬于材料化學技術領域。本發明包括薄片狀氮化碳(以下簡稱為DNCN)的合成及酸化、纖維狀氮化碳(以下簡稱為CNF)的合成、氮化碳基同質結(以下簡稱為DNCNF)的制備以及它們微觀結構的表征、可見光（λ＞420 nm）下過氧化氫的產生速率和DNCNF在不同單波長下的表觀量子效率。本發明提供了一種氮化碳同質結的合成方法，并證明其在可見光下具有較好的生成過氧化氫的能力。

技術領域

本發明屬材料化學領域，具體涉及一種用于光催化產過氧化氫的氮化碳基同質結、其制備方法及應用。

背景技術

過氧化氫是一種重要的工業化學用品，由于其優秀的氧化性和清潔性，被廣泛應用于消毒、漂白、廢水處理、有機合成、半導體制造等領域。此外，它具有和壓縮氫氣相當的能量密度，并比氫氣更方便儲存和運輸，這表明過氧化氫是一種很有前景的清潔能源。目前過氧化氫的主要制備方法為傳統的蒽醌法，然而蒽醌法能耗高，污染嚴重，并且需要氫氣作為原料。此外，還有電化學合成法，但這種方法生產過氧化氫的選擇性和產量較低，危險系數較高。所以，迫切需要開發一種綠色環保的過氧化氫制備方法。

光催化以太陽能為能量來源，催化劑吸收能量產生光生載流子，然后遷移到催化劑表面發生氧化還原反應。而且光催化過氧化氫的合成只需要水和氧氣，是一種清潔、綠色可持續的合成過氧化氫的方法。石墨相氮化碳（g-C₃N₄）自2009年被應用于光催化分解水以來，受到了人們的廣泛關注。它是一種n型半導體，帶隙約為2.7 eV，能夠吸收波長小于460nm的光子。與傳統的TiO₂相比，它具有更廣的光譜吸收范圍，并且制備手段多，對設備要求低，制備時間短。此外，氮化碳還具有無毒、對環境友好、無二次污染等優點。但是作為單組份催化劑，它仍具有光生載流子易復合、光吸收能力較弱等缺點。通過與其他半導體構建異質結或同質結，可以有效促進光生載流子的分離，提高催化活性。本發明制備得到的氮化碳基同質結在可見光下具有較寬的光吸收范圍和有效的載流子分離效率，因此具有良好的過氧化氫生成速率。

發明內容

本發明的目的在于提供一種用于光催化產過氧化氫的氮化碳基同質結、其制備方法及應用，本發明的氮化碳基同質結具有較寬的光吸收范圍和有效的載流子分離能力。在可見光下具有較強的光催化合成過氧化氫活性，單波長420 nm波長處的表觀量子產率達到23.67%。

本發明采用直接煅燒法制備了薄片狀氮化碳，并將其放入鹽酸中進行酸化，使其表面帶正電，然后將酸化后的薄片狀氮化碳與制備纖維狀氮化碳的前驅體溶液混合均勻后，通過水熱法使纖維狀氮化碳和薄片狀氮化碳復合在一起形成同質結，最終此同質結在可見光下具有優異的合成過氧化氫的催化活性。

本發明所述的用于光催化產過氧化氫的氮化碳基同質結的制備方法、具體步驟如下：

（1）將雙氰胺和氯化銨放入研缽充分研磨混合以后， 500℃~600℃煅燒 2 h ~4h，煅燒結束后將得到的氮化碳納米片粉末進行研磨備用，雙氰胺和氯化銨的質量比為1:2~8；

（2）將步驟（1）研磨后的氮化碳納米片粉末放入鹽酸中超聲分散均勻后，攪拌8~10h，離心，洗滌至上清液至中性，取固體干燥得到酸化氮化碳納米片；

（3）取三聚氯氰、三聚氰胺加入乙腈中，室溫下攪拌10 h ~15 h， 加入步驟（2）制得的酸化氮化碳納米片，室溫下攪拌10 h ~15h ，然后150~200℃水熱反應20~25 h，水熱反應結束后，收集沉淀并洗滌，干燥，即得，酸化氮化碳納米片、三聚氯氰、三聚氰胺的質量比為1:（1.5~2.0）：（0.5~1.0）。

進一步地，步驟（1）中，雙氰胺和氯化銨的質量比為1:5，煅燒溫度為550℃，煅燒時間為3h。

進一步地，步驟（2）中鹽酸濃度為3mol/L。