[發(fā)明專利]一種碳量子點(diǎn)包覆金屬單原子-氮化碳復(fù)合材料及制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110122602.4
• 申請日: 2021-01-29
• 公開（公告）號: CN112973750B
• 公開（公告）日: 2023-09-26
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 萬輝;丁靖;李宗媛;管國鋒;袁大水;陳雪茹;王雷
• 申請（專利權(quán)）人: 南京工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: B01J27/24
• 分類號: B01J27/24;B01J35/00;B01J37/02;B01J37/08;C01B3/04
• 代理公司: 南京天華專利代理有限責(zé)任公司 32218
• 代理人: 徐冬濤

本發(fā)明涉及一種碳量子點(diǎn)包覆金屬單原子?氮化碳復(fù)合材料及其制備方法，其中這種材料以石墨相氮化碳為載體，負(fù)載碳量子點(diǎn)包覆的金屬單原子，其制備方法包括如下步驟：對甲酰基苯甲酸和吡咯在溶液丙酸中反應(yīng)，生成5，10，15，20?四(4?羧基苯基卟啉(TCPP)；TCPP和金屬鹽在溶劑中反應(yīng)生成含有不同金屬的卟啉配體；得到的金屬卟啉配體與不同的有機(jī)碳源進(jìn)行水熱，透析、干燥，制備出金屬卟啉配體嵌入的碳量子點(diǎn)材料。通過配位結(jié)合恒溫焙燒法，實(shí)現(xiàn)碳量子點(diǎn)包覆金屬單原子/氮化碳復(fù)合材料的制備。本發(fā)明制備的氮化碳復(fù)合材料具有量子效率高、金屬單原子負(fù)載量高、金屬分散好和光催化產(chǎn)氫活性高等優(yōu)勢。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于可見光光催化分解水產(chǎn)氫領(lǐng)域，具體涉及一種用于光催化分解水產(chǎn)氫的碳量子點(diǎn)包覆金屬單原子-氮化碳復(fù)合材料及制備方法。

背景技術(shù)

氫能作為一種能量密度大的無碳能源載體，是目前最具有前景的高效、清潔的二次能源，它可以直接消耗產(chǎn)能且不會造成二次污染。到目前為止，主要的傳統(tǒng)制氫法有水電解法和碳?xì)浠衔锶剂现卣茪浞ǎm然產(chǎn)量高，技術(shù)成熟，但需要消耗大量的能源和水資源。光催化水分解產(chǎn)氫技術(shù)作為一種可再生能源轉(zhuǎn)換和儲存技術(shù)，可以將低密度的太陽能轉(zhuǎn)換成高密度的氫能，具有價格低廉和操作簡單等優(yōu)勢，能夠從根本上解決能源危機(jī)和環(huán)境問題。然而，其核心在于高效、高穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性的光催化劑開發(fā)。

石墨化氮化碳(g-C₃N₄)作為一種極具吸引力的共軛聚合物，由于其低成本、無金屬性質(zhì)和可見光響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，在太陽能轉(zhuǎn)換領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注。然而，純g-C₃N₄光催化劑由于其光生電荷的快速復(fù)合和較低的電導(dǎo)率缺點(diǎn)，限制了其光催化制氫效率。氮化碳負(fù)載助催化劑尤其負(fù)載金屬或金屬氧化物顆粒可有效抑制載流子復(fù)合，它不僅可以在金屬-氮化碳界面形成肖特基勢壘，促進(jìn)電子和空穴分離，還可以提供有效的質(zhì)子還原位點(diǎn)，從而顯著增強(qiáng)光催化產(chǎn)氫能力。然而，由于大多數(shù)已開發(fā)的金屬助催化劑體系中只有表面活性原子參與，在提高其原子效率方面仍有很大的研究空間，這極大地阻礙了工業(yè)進(jìn)程。將金屬活性組分縮小到團(tuán)簇甚至單個原子，有利于最大化的分散金屬和顯示每個金屬原子最佳的內(nèi)在活性，是提高其原子效率的有效途徑。金屬單原子催化劑的制備通常采用降低金屬負(fù)載量的策略，造成了所負(fù)載的活性金屬濃度極低，同時由于高度分散的單原子表面能高、易團(tuán)聚、熱力學(xué)不穩(wěn)定等問題，難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。因此，開發(fā)一種高負(fù)載量、高活性和高分散穩(wěn)定性的單原子催化劑的制備方法并應(yīng)用于光催化產(chǎn)氫是當(dāng)前能源催化領(lǐng)域研究亟待突破的瓶頸之一。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種具有豐富反應(yīng)活性位點(diǎn)的高量子效率、高負(fù)載量、高分散性和高活性的碳量子點(diǎn)包覆金屬單原子-氮化碳復(fù)合材料，本發(fā)明還提供了上述碳量子點(diǎn)包覆金屬單原子-氮化碳復(fù)合材料的制備方法及在光催化分解水制氫中的應(yīng)用。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種碳量子點(diǎn)包覆金屬單原子-氮化碳復(fù)合材料，其特征在于，所述的材料以石墨相氮化碳為載體，負(fù)載質(zhì)量百分量為0.30％～3.00％的碳量子點(diǎn)包覆的金屬單原子。

本發(fā)明還提供了一種制備上述的碳量子點(diǎn)包覆金屬單原子-氮化碳復(fù)合材料的方法，其具體步驟如下：

步驟1：將吡咯和對甲酰基苯甲酸分別溶于丙酸溶液中，向?qū)柞；郊姿岜崛芤褐械渭舆量┍崛芤海刂频渭铀俣龋诒Ｗo(hù)氣氛下升溫進(jìn)行回流反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后，冷卻、離心得到黑色固體，溶劑洗滌、真空干燥，得到有機(jī)卟啉配體TCPP；

步驟2：將步驟1制得的TCPP和金屬鹽加入含有溶劑的高壓釜中進(jìn)行溶劑熱反應(yīng)，所得固體經(jīng)過離心、洗滌、真空干燥，得到含有金屬原子的卟啉配體；

步驟3：將步驟2制得的含有金屬原子的卟啉配體、有機(jī)碳源和水加入容器中進(jìn)行水熱反應(yīng)，所得溶液經(jīng)過透析、冷凍干燥，得到金屬卟啉配體嵌入的碳量子點(diǎn)材料；

步驟4：將氮化碳前驅(qū)物在高溫中進(jìn)行焙燒得到石墨相氮化碳粉末；