一种拓展氮化碳光催化材料可见光吸收的氢化制备方法技术

本发明专利技术涉及材料制备与光催化领域，具体为一种拓展氮化碳光催化材料可见光吸收的氢化制备方法，解决现有制备方法改性效果差、产率低等问题。将氮化碳光催化材料置于密闭氢化处理装置中，通过控制氢化加热温度和氢气压力以及处理时间，合成具有宽可见光吸收特性的光催化材料。从而，通过控制氢化来扩展类石墨氮化碳光催化材料的可见光吸收范围。本发明专利技术提供的制备方法温度温和，产率高，工艺简单，且适用于大规模制备，在光催化领域具有广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及材料制备与光催化领域，具体为一种拓展氮化碳光催化材料可见光吸收的氢化制备方法。
技术介绍
发展兼具高可见光利用率、高稳定性和廉价的新型光催化材料是高效利用太阳能的关键基础，也是当前光催化研究领域的重点内容。聚合物半导体类石墨氮化碳(g-C3N4)是近来发展的一种新型的廉价非金属半导体光催化材料[文献1：Wang,X.；Maeda,K.；Thomas,A.；Takanabe,K.；Xin,G.；Carlssoon,J.M.；Domen,K.；Antonietti,M.,Ametal-freepolymericphotocatalystforhydrogenproductionfromwaterundervisiblelight,Nat.Mater.,2009,8,76.]。该材料不仅具有独特的半导体能带结构和优异的化学稳定性，而且还具备聚合物半导体的化学组成和能带结构易调控等特点，成为当前光催化研究领域的热点体系。但是，g-C3N4的禁带宽度约为2.7eV，仅可吸收太阳光谱中波长小于475nm的蓝紫光，无法有效利用占太阳光谱约45％的可见光，如何扩展其可见光吸收成为提升其光催化利用潜力的首要任务。常用的改性方法有掺杂金属或非金属元素及与其它光催化剂构建复合体系等手段，可实现部分拓展其可见光吸收能力。我们研究组率先发现在高温和流动性氢气气氛下氢化还原处理仅可部分拓展g-C3N4的可见光吸收范围，但无法实现吸收带边的整体红移。此外，材料产率过低(<10％)[文献2：Niu,P.；Yin,L.C.；Yang,Y.Q.；Liu,G.；Cheng,H.M.,Increasingthevisiblelighabsorptionofgraphiticcarbonnitride(melon)photocatalystsbyhomogeneousself-modificationwithnigrogenvacancies,Adv.Mater.2014,26,8046.]。究其原因在于，聚合物材料的本征热稳定性低，高温处理易于破坏材料的结构(在550℃下处理，材料结构基本完全被破坏)。但在低温下，采用该方法很难实现g-C3N4的可见光吸收改性。因此，发展新的改性制备技术对推进该光催化材料的应用显得尤为重要。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种有效拓展氮化碳光催化材料可见光吸收的氢化制备方法，解决现有制备方法改性效果差、产率低等问题。本专利技术的技术方案是：一种拓展氮化碳光催化材料可见光吸收的氢化制备方法，选用类石墨氮化碳g-C3N4光催化材料为起始原料，g-C3N4光催化材料具有类石墨的层状结构；在耐高压密闭氢化处理装置中，通过控制氢化条件实现吸收边的整体红移，扩展可见光吸收能力。所述的拓展氮化碳光催化材料可见光吸收的氢化制备方法，首先将光催化材料置于氢化处理装置中，在小于200℃的低温下抽真空处理，然后充入高纯氢气，最后在小于450℃的温度下氢化处理。所述的拓展氮化碳光催化材料可见光吸收的氢化制备方法，耐高压密闭氢化处理装置的体积容量大于50毫升。所述的拓展氮化碳光催化材料可见光吸收的氢化制备方法，抽真空处理时间小于10小时。所述的拓展氮化碳光催化材料可见光吸收的氢化制备方法，充入高纯氢气压力范围0.01MPa～10MPa，根据放置光催化材料质量和氢化处理装置容积来调控。所述的拓展氮化碳光催化材料可见光吸收的氢化制备方法，氢化处理时间大于30分钟。所述的拓展氮化碳光催化材料可见光吸收的氢化制备方法，优选的，氢化处理温度为100～400℃，氢化处理压力为0.1～5MPa，氢化处理时间为24小时以上。本专利技术的优点及有益效果在于：1、本专利技术采用氢化制备具有宽可见光吸收的类石墨氮化碳半导体光催化材料的方法，在较低温度、不易破坏材料结构完整性的条件下，通过控制氢气压力并施以较长保温时间达到均相氢化非晶化的目的，成功实现光催化材料的可见光吸收带边整体红移，从而大幅扩展了其可见光吸收范围。2、本专利技术所提供的氢化制备方法温度温和，产率高(>40％)，在光催化领域具有广阔的应用前景。3、本专利技术所提供的制备方法普适性强，尤其适用于热稳定性/相稳定性低的光催化材料，工艺简单，操作简便，适用于大规模制备。附图说明图1：以g-C3N4为起始原料，在5MPa氢气压力下，分别在300℃、350℃、400℃处理5天所制样品的吸收光谱图。横坐标Wavelength代表波长(nm)，纵坐标Absorbance代表吸光度(a.u.)。图2：以g-C3N4为起始原料，在400℃温度下，分别在0.1MPa、2MPa、5MPa氢气压力下处理5天所制样品的吸收光谱图。横坐标Wavelength代表波长(nm)，纵坐标Absorbance代表吸光度(a.u.)。图3：以g-C3N4为起始原料，在400℃和5MPa氢气压力条件下，分别处理1天和5天所制样品的吸收光谱图。横坐标Wavelength代表波长(nm)，纵坐标Absorbance代表吸光度(a.u.)。图4：原始g-C3N4(图中a线)与其在400℃和5MPa氢气压力条件下处理5天所制样品(图中b线)的X-射线对比图。横坐标为衍射角2θ(°)，纵坐标intensity代表强度(a.u.)。图5：g-C3N4与其在400℃和5MPa氢气压力条件下处理5天所制样品的红外光谱对比图。横坐标Wavenumber代表波数(cm-1)，纵坐标intensity代表强度(a.u.)。具体实施方式在具体实施方式中，本专利技术拓展氮化碳光催化材料可见光吸收的氢化制备方法如下：(1)选用类石墨氮化碳(简称g-C3N4)光催化材料为起始原料。该光催化材料由C和N两种或含少量H组成，H含量≤5wt％。(2)g-C3N4的氢化改性，在耐高压密闭装置中进行，通过控制氢化条件实现吸收边的整体红移，显著扩展可见光吸收能力。(3)先将适量g-C3N4置于能耐高压且密闭的、具有一定体积容量(一般大于50毫升)的氢化处理密闭装置中，在低温<200℃(优选为室温～100℃)下抽真空<10小时(优选为1～5小时)，以去除材料表面所吸附杂质，然后充入高纯氢气(氢气体积纯度≥99.99％)，氢气压力范围0.01MPa～10MPa，所充氢气压力根据所加光催化材料质量和装置容积来调控，在较低温度下保温处理，氢化处理温度<450℃，氢化处理时间>30分钟，得到具有宽可见光吸收的g-C3N4光催化材料。其中，氢化处理温度优选为100～400℃，氢化处理压力优选为0.1～5MPa，氢化处理时间优选为24小时以上，在低温、低压及较长时间下可达最佳改性效果。下面，通过实施例和附图对本专利技术进一步详细阐述。实施例1以g-C3N4为起始原料，在不同氢化温度下所制样品的吸收光谱研究。将g-C3N4粉末样品置于密闭氢化处理装置中，在室温下抽真空1小时，然后充入5MPa高纯氢气，在不同温度300℃、350℃和400℃下氢化处理5天。吸收光谱测试设备：UV-visiblespectroscopy，JASCO-550，以漫反射模式测量。如图1所示，在不同温度下所处理样品的吸收光谱。从图中可以看出，随本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种拓展氮化碳光催化材料可见光吸收的氢化制备方法，其特征在于，选用类石墨氮化碳g‑C3N4光催化材料为起始原料，g‑C3N4光催化材料具有类石墨的层状结构；在耐高压密闭氢化处理装置中，通过控制氢化条件实现吸收边的整体红移，扩展可见光吸收能力。

【技术特征摘要】
1.一种拓展氮化碳光催化材料可见光吸收的氢化制备方法，其特征在于，选用类石墨氮化碳g-C3N4光催化材料为起始原料，g-C3N4光催化材料具有类石墨的层状结构；在耐高压密闭氢化处理装置中，通过控制氢化条件实现吸收边的整体红移，扩展可见光吸收能力。2.按照权利要求1所述的拓展氮化碳光催化材料可见光吸收的氢化制备方法，其特征在于，首先将光催化材料置于氢化处理装置中，在小于200℃的低温下抽真空处理，然后充入高纯氢气，最后在小于450℃的温度下氢化处理。3.按照权利要求1所述的拓展氮化碳光催化材料可见光吸收的氢化制备方法，其特征在于，耐高压密闭氢化处理装置的体积容量大于50毫升...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘岗，康向东，成会明，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁;21