一種氮摻雜碳／氮化碳光催化劑材料及其一步合成方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種氮摻雜碳/氮化碳光催化劑材料及其一步方法，屬于光催化技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)代社會(huì)對(duì)于清潔可再生能源的大量需求大大刺激了清潔燃料的光合成研究。光催化材料在光催化分解制氫，合成太陽(yáng)能燃料方面具有廣闊的應(yīng)用前景。石墨相氮化碳(g_C3N4)是一種新型的有機(jī)半導(dǎo)體，它是一種片層狀結(jié)構(gòu)，主要由地球上廣泛存在的碳、氮兩種元素組成，具有廉價(jià)易得，無(wú)毒，高穩(wěn)定性等優(yōu)良特點(diǎn)，并且其合適的能帶結(jié)構(gòu)(?
2.7eV)，可以吸收可見(jiàn)光中的藍(lán)光，將水中的氫離子還原成氫氣，因此在解決環(huán)境與能源問(wèn)題上，可發(fā)揮重要作用。但是，這種不含金屬的有機(jī)半導(dǎo)體，仍然存在著光利用率低，光生電子與空穴易復(fù)合，以及量子效率低等問(wèn)題，大大制約了其光催化效率。許多研究者通過(guò)多種不同方式來(lái)設(shè)計(jì)優(yōu)化g_C3N4的光催化性能，如摻雜改性、表面結(jié)構(gòu)的構(gòu)建、供催化劑修飾等。
[0003]近來(lái)，許多研究者通過(guò)對(duì)g_C3N4進(jìn)行共聚合改性以及合成有機(jī)復(fù)合半導(dǎo)體體系來(lái)增強(qiáng)其光吸收及載流子分離效率。但目前采用的共聚合改性及有機(jī)復(fù)合半導(dǎo)體都是采用一些含芳環(huán)有機(jī)物，如嘧啶、吡啶、聚噻吩等，這些物質(zhì)通常都對(duì)環(huán)境有害。近來(lái)，碳量子點(diǎn)及石墨烯量子點(diǎn)成為研究熱點(diǎn)，尤其是用碳量子點(diǎn)或石墨烯量子點(diǎn)敏化的半導(dǎo)體材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種流程簡(jiǎn)單、環(huán)境有好、成本低廉的氮摻雜碳/氮化碳光催化劑制備方法，制備的材料具有良好的光生電子一空穴分離效率及光催化制氫性能。這里，我們用檸檬酸做碳源，尿素做合成g_C3N4的前驅(qū)體，進(jìn)行一步合成氮摻雜碳/氮化碳光催化劑。檸檬酸是一種常用的碳源，它是一種含有三個(gè)羧基的有機(jī)弱酸，可以通過(guò)脫氫碳化合成碳材料。尿素則是一種常用的合成g_C3N4的前驅(qū)體，它在大約133°C可以熔化，提供一個(gè)液體的熔融環(huán)境，并且檸檬酸的羧基可以與尿素的氨基反應(yīng)，尿素分解產(chǎn)生的氨氣可以提供一種富氮?dú)夥?，從而在g_C3N4骨架中引入氮摻雜的碳，得到氮摻雜碳/氮化碳光催化劑。本發(fā)明涉及用檸檬酸及尿素來(lái)一步合成氮摻雜碳/氮化碳光催化劑，提高其光催化制氫性能。據(jù)我們所知，目前還沒(méi)有相關(guān)設(shè)計(jì)的氮化碳材料體系。
[0005]在此，本發(fā)明提供一種氮摻雜碳/氮化碳光催化劑材料的一步合成方法，包括以下步驟:按照檸檬酸與尿素的質(zhì)量比為1:(20?2000)將所述檸檬酸分散于尿素中中；將混合物煅燒，得到氮摻雜碳/氮化碳光催化劑材料。
[0006]本發(fā)明用檸檬酸做碳源，尿素做合成g_C3N4的前驅(qū)體，進(jìn)行一步合成氮摻雜碳/氮化碳光催化劑。檸檬酸是一種常用的碳源，它是一種含有三個(gè)羧基的有機(jī)弱酸，可以通過(guò)脫氫碳化合成碳材料。尿素則是一種常用的合成g_C3N4的前驅(qū)體，它在大約133°C可以熔化，提供一個(gè)液體的熔融環(huán)境，并且檸檬酸的羧基可以與尿素的氨基反應(yīng)，尿素分解產(chǎn)生的氨氣可以提供一種富氮?dú)夥?，從而在g_C3N4骨架中引入氮摻雜的碳，得到氮摻雜碳/氮化碳光催化劑。本發(fā)明得到的氮摻雜碳/氮化碳光催化劑有利于光生電子與空穴的快速分離，有效提高光催化制氫性能。另外，本發(fā)明的合成方法十分簡(jiǎn)單、設(shè)備要求低、原料廉價(jià)易得、無(wú)需昂貴的各種加工合成設(shè)備和高溫高壓等反應(yīng)裝置，具備大批量合成的有點(diǎn)，并且所得材料催化性能顯著，有望產(chǎn)生良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。
[0007]較佳地，所述煅燒的溫度為400 - 600 °C，保溫時(shí)間為2 — 4小時(shí)。
[0008]較佳地，所述檸檬酸與尿素的質(zhì)量比為1: (800?1500)。
[0009]本發(fā)明的一步合成方法所制備的氮摻雜碳/氮化碳光催化劑材料中，氮摻雜的碳引入到氮化碳骨架中。
[0010]本發(fā)明的氮摻雜碳/氮化碳光催化劑材料的平均光催化產(chǎn)氫量相對(duì)純氮化碳光催化劑材料提高2?5倍。
【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1為所制備的不同檸檬酸添加量的氮摻雜碳/氮化碳XRD圖；
圖2為所制備的不同檸檬酸添加量的氮摻雜碳/氮化碳FTIR圖；
圖3為所制備的檸檬酸添加量為20mg時(shí)CN-20 (a)及氮化碳CN(b)的TEM圖像及對(duì)應(yīng)的選區(qū)電子衍射圖；
圖4為檸檬酸添加量為20mg時(shí)CN-20及氮化碳CN的XPS Nls譜圖；
圖5為所制備的不同檸檬酸添加量的氮摻雜碳/氮化碳UV-vis圖；
圖6為所制備的不同檸檬酸添加量的氮摻雜碳/氮化碳光解水制氫催化性能圖(a)及檸檬酸添加量為20mg樣品CN-20的循環(huán)制氫性能圖(b)；
圖7為氮摻雜碳/氮化碳材料體系中，氮摻雜碳可能的存在形式圖。
【具體實(shí)施方式】
[0012]以下結(jié)合附圖和下述實(shí)施方式進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明，應(yīng)理解，下述實(shí)施方式僅用于說(shuō)明本發(fā)明，而非限制本發(fā)明。
[0013]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:以檸檬酸為碳源，尿素為前驅(qū)體，一步合成氮摻雜碳/氮化碳光催化劑。
[0014]其具體的制備方法步驟如下:
1)稱(chēng)取一定質(zhì)量的尿素置于坩禍中，尿素的質(zhì)量為20g;
2)稱(chēng)取少量的梓檬酸，并均勾分散到步驟1)稱(chēng)取的尿素中，梓檬酸的質(zhì)量為10-1000mg ；
3)將步驟2的坩禍蓋上蓋子，置于馬弗爐中，煅燒，保溫時(shí)間為2-4h，即可獲得氮摻雜碳/氮化碳光催化劑材料。
[0015]作為一種優(yōu)選方案，以尿素為氮化碳前驅(qū)體。
[0016]作為一種優(yōu)選方案，以微量的梓檬酸為碳源。
[0017]作為一種優(yōu)選方案，步驟3)所述的煅燒溫度為400 - 600°C，保溫時(shí)間為2 — 4h。
[0018]氮摻雜碳/氮化碳光催化劑的光催化性能是通過(guò)在可見(jiàn)光下(λ ^ 420nm)分解水制氫來(lái)進(jìn)行評(píng)估的。實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下:將50mg光催化劑分散在裝有90ml H20, 10mlN(CH2CH20H) 3, 3w