一种多孔薄层石墨相氮化碳载铂光催化剂及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种多孔薄层石墨相氮化碳载铂光催化剂及其制备方法和应用，该方法首先选择三聚氰胺作为原料，采用热解法制备石墨相氮化碳；然后将石墨相氮化碳在空气气氛下快速升至高温并短时间处理，得到多孔薄层石墨相氮化碳，最后将快速高温后处理得到的多孔薄层石墨相氮化碳以光还原法负载贵金属铂，即得到目标产品。本发明专利技术制备的多孔薄层石墨相氮化碳载铂光催化剂与未经快速高温后处理的石墨相氮化碳相比具有高效的可见光催化制氢性能，并且具有良好的稳定性。本发明专利技术操作简单，重复性好，有效地改善了石墨相氮化碳的光催化性能，进而扩展了改性石墨相氮化碳的高效手段。

Porous thin layer graphite phase carbon nitride supported platinum photocatalyst and its preparation method and Application

The present invention provides a thin porous graphitic carbon nitride platinum catalyst and its preparation method and application of the method, first select the melamine as raw materials, preparation of graphite carbon nitride by pyrolysis method; then the graphitic carbon nitride in the atmosphere quickly rose to high temperature and short time, get the thin porous graphite nitride the high temperature carbon graphite obtained by postprocessing thin porous carbon nitride by photoreduction method supported noble metal platinum, to obtain the target product. The porous graphite prepared by the invention of the carbon nitride platinum catalyst and Shi Moxiang carbon nitride by rapid high temperature postprocessing compared with photocatalytic hydrogen production efficiency, and has good stability. The method has the advantages of simple operation and good repeatability, and effectively improves the photocatalytic performance of the graphitic carbon nitride, thereby extending the efficient means of modifying the graphitic carbon nitride.

【技术实现步骤摘要】
一种多孔薄层石墨相氮化碳载铂光催化剂及其制备方法和应用
本专利技术属于氢能制备
，涉及氢能的光催化洁净制备技术，即模拟太阳光可见光照射条件下以水为原料的光催化制氢技术，特别涉及一种制备多孔薄层石墨相氮化碳载铂光催化剂的简易快速高温后处理方法及其光催化制氢应用。
技术介绍
由于石油、煤炭和天然气等不可再生的传统化石能源的消耗，以及严重的环境问题，能源危机的影响逐渐显露出来。因此，发展洁净可再生的替代能源是目前人类需要投入研究的方向。目前具有发展潜力的可再生能源包括太阳能、地热能、风能、海洋能以及生物质能等。其中，理论上太阳能是一种取之不尽的清洁能源，有很好的研究价值。但是太阳能的不稳定、分散、不连续和不均匀等劣势限制其发展，因此高效的将太阳能转化为化学能或电能是目前太阳能研究的重中之重。我国坚持走可持续发展的路线，开发利用可再生能源符合我国现下国情，如果能够实现太阳能的高效利用，对我国未来的经济发展和建设特色社会主义可起到极大的作用。氢气由于其具有燃烧直接生成水，能量密度高，而且地球上丰富的水资源可以循环利用，以及可储存、可运输、无污染等诸多优点，因此是一种理想的二次能源。当今氢能的利用围绕着以燃料电池为代表的各种利用技术迅猛发展，可以预见氢能的未来需求量必将猛增，氢经济时代到来的可能性非常高。但是目前依然有制约氢能发展的难题需要克服，比如氢能大规模利用的前提是要解决氢能的规模生产、储存及输送等一系列关键问题。由能量守恒定理可知氢能制备过程必然需要消耗能量，目前已有的研究指出，水、生物质、天然气和煤等物质都可作为制氢原料。基于可持续发展和可再生能源等因素，选取水和生物质等原料，利用太阳能制氢是其中一种很有可行性的制氢手段。利用太阳能光催化分解水制氢，为太阳能转化氢能提供了一种可能实现的方向，是目前很有潜力实现工业化应用并获得廉价氢气的高新技术。光催化分解水制氢的原理如下所述。在合适能量的光的照射下，光催化剂吸收光能，受到激发产生光生电子和空穴对。之后，产生的电子和空穴对迁移到光催化剂表面，与水进行氧化还原反应得到氢气。为了实现太阳能光催化分解水制氢的目标，其关键是发展高效、低成本和稳定的可见光催化剂。尽管目前已有的研究报道了各种各样的可见光响应的光催化剂，但是研究的成果依然与高效、低成本等要求相距甚远。石墨相氮化碳(g-C3N4)作为一种无金属的有机半导体，因其良好的热稳定、光学、电学以及催化等性能广受科研工作者关注。石墨相氮化碳由于其合适的能带结构能够在可见光下进行光催化分解水制氢制氧(Wangetal.NatureMaterials.2009,8,76；ACSCatalysis.2015,5:941-947)。但是由于其较小的比表面积和较少的活性位点，导致其光催化性能低下，严重限制了其在光催化领域的应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种多孔薄层石墨相氮化碳载铂光催化剂及其制备方法和应用，该方法通过简易快速的高温后处理方式将石墨相氮化碳的形貌变为多孔薄层状，从而实现石墨相氮化碳高效地进行可见光催化制氢的目的。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种多孔薄层石墨相氮化碳载铂光催化剂的制备方法，包括以下步骤：步骤一：将三聚氰胺粉末加入坩埚内，并盖上坩埚盖子，然后将坩埚转移至高温炉中进行热处理，再随炉冷却至室温，得到石墨相氮化碳粉末；步骤二：将步骤一得到的石墨相氮化碳粉末置于快速升温管式炉中，在空气气氛下进行高温处理，然后利用循环冷却水将快速升温管式炉降至室温，即得到多孔薄层石墨相氮化碳；步骤三：将步骤二制备的多孔薄层石墨相氮化碳以光还原法负载铂，即得到多孔薄层石墨相氮化碳载铂光催化剂，其中负载的铂的质量为多孔薄层石墨相氮化碳质量的1～5％。所述步骤一中的热处理具体为：以3～10℃/min的升温速度从室温升温至520～550℃，并在该温度下煅烧2～4h。所述步骤二中的高温处理具体为：以5～20℃/s的升温速度从室温升温至700～900℃，并保温0～15min。所述步骤二中的循环冷却水的温度为15～25℃。所述步骤三中负载铂的具体步骤如下：1)在反应器中加入多孔薄层石墨相氮化碳、牺牲剂和六水合氯铂酸水溶液；其中加入的六水合氯铂酸水溶液中所含的铂的质量为加入的多孔薄层石墨相氮化碳质量的1～5％；2)向反应器中通入氮气吹扫，以除去反应器中的氧气，然后打开氙灯和磁力搅拌器，使反应体系在氙灯的照射及搅拌条件下进行1～3h的光还原反应，即将铂负载在多孔薄层石墨相氮化碳上。所述牺牲剂是体积分数为5～20％的三乙醇胺水溶液，且每加入10～200mg多孔薄层石墨相氮化碳时需要加入50～300mL牺牲剂。所述六水合氯铂酸水溶液中铂的浓度为0.0005～0.001g/mL。所述的多孔薄层石墨相氮化碳载铂光催化剂的制备方法制得的多孔薄层石墨相氮化碳载铂光催化剂，所述多孔薄层石墨相氮化碳载铂光催化剂由多孔薄层石墨相氮化碳及负载在其上的铂组成，其中负载的铂的质量为多孔薄层石墨相氮化碳质量的1～5％；多孔薄层石墨相氮化碳的微观形貌为含有大孔和介孔的多孔薄层片层状；所述多孔薄层石墨相氮化碳载铂光催化剂在可见光下光催化分解水制氢时的产氢活性为45～1380μmol·h-1·g-1。所述的多孔薄层石墨相氮化碳载铂光催化剂在可见光下光催化分解水制氢方面的应用。相对于现有技术，本专利技术的有益效果为：本专利技术提供的多孔薄层石墨相氮化碳载铂光催化剂的制备方法，首先选择三聚氰胺作为原料，采用热解法制备石墨相氮化碳；然后将石墨相氮化碳放入快速升温管式炉中，在空气气氛下快速升至高温并做短时间保温处理，得到多孔薄层石墨相氮化碳，最后将经简易快速高温后处理得到的多孔薄层石墨相氮化碳以光还原法负载贵金属铂，即得到多孔薄层石墨相氮化碳载铂光催化剂。石墨相氮化碳是由团聚的片层构成，而片层之间仅仅存在较弱的范德华力，所以对其进行有效处理，分离开团聚的石墨相氮化碳片层，可以有效地提高其比表面积，继而促进其光催化性能。本专利技术通过简易快速的高温后处理方式将石墨相氮化碳的形貌变为多孔薄层状，从而实现石墨相氮化碳高效地进行可见光催化制氢的目的。本专利技术制备的多孔薄层石墨相氮化碳载铂光催化剂与未经快速高温后处理的石墨相氮化碳相比具有高效的可见光催化制氢性能，并且具有良好的稳定性。本专利技术操作简单，重复性好，有效地改善了石墨相氮化碳的光催化性能，进而扩展了改性石墨相氮化碳的高效手段。本专利技术制备的多孔薄层石墨相氮化碳载铂光催化剂，经简易快速的高温后处理，一方面形成了多孔薄层的微观结构，因而具有较高的比表面积，为光催化反应提供了更多的反应位点，另一方面产生了氮空位，因而改变了石墨相氮化碳的电子结构特性，促进了其对可见光的吸收，并抑制了光生载流子的复合，最后强化了光催化反应，本专利技术制得的多孔薄层石墨相氮化碳载铂光催化剂在可见光下光催化分解水制氢时的产氢活性为45～1380μmol·h-1·g-1，其光催化制氢活性可达石墨相氮化碳的25.5倍，在可见光下光催化分解水制氢方面具有良好的应用前景。附图说明图1是对比例制得的石墨相氮化碳(图中标记为CN)和实施例3制得的多孔薄层石墨相氮化碳(图中标记为CN-800)的X-射线衍射图；图2是扫描电镜照片，其中(a)是对比例制得的石墨本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多孔薄层石墨相氮化碳载铂光催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：将三聚氰胺粉末加入坩埚内，并盖上坩埚盖子，然后将坩埚转移至高温炉中进行热处理，再随炉冷却至室温，得到石墨相氮化碳粉末；步骤二：将步骤一得到的石墨相氮化碳粉末置于快速升温管式炉中，在空气气氛下进行高温处理，然后利用循环冷却水将快速升温管式炉降至室温，即得到多孔薄层石墨相氮化碳；步骤三：将步骤二制备的多孔薄层石墨相氮化碳以光还原法负载铂，即得到多孔薄层石墨相氮化碳载铂光催化剂，其中负载的铂的质量为多孔薄层石墨相氮化碳质量的1～5％。

【技术特征摘要】
1.一种多孔薄层石墨相氮化碳载铂光催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：将三聚氰胺粉末加入坩埚内，并盖上坩埚盖子，然后将坩埚转移至高温炉中进行热处理，再随炉冷却至室温，得到石墨相氮化碳粉末；步骤二：将步骤一得到的石墨相氮化碳粉末置于快速升温管式炉中，在空气气氛下进行高温处理，然后利用循环冷却水将快速升温管式炉降至室温，即得到多孔薄层石墨相氮化碳；步骤三：将步骤二制备的多孔薄层石墨相氮化碳以光还原法负载铂，即得到多孔薄层石墨相氮化碳载铂光催化剂，其中负载的铂的质量为多孔薄层石墨相氮化碳质量的1～5％。2.根据权利要求1所述的多孔薄层石墨相氮化碳载铂光催化剂的制备方法，其特征在于：所述步骤一中的热处理具体为：以3～10℃/min的升温速度从室温升温至520～550℃，并在该温度下煅烧2～4h。3.根据权利要求1所述的多孔薄层石墨相氮化碳载铂光催化剂的制备方法，其特征在于：所述步骤二中的高温处理具体为：以5～20℃/s的升温速度从室温升温至700～900℃，并保温0～15min。4.根据权利要求1所述的多孔薄层石墨相氮化碳载铂光催化剂的制备方法，其特征在于：所述步骤二中的循环冷却水的温度为15～25℃。5.根据权利要求1所述的多孔薄层石墨相氮化碳载铂光催化剂的制备方法，其特征在于：所述步骤三中负载铂的具体步骤如下：1)在反应器中加入多孔薄层石墨相氮化碳、...

【专利技术属性】
技术研发人员：师进文，张亚周，刘茂昌，陈玉彬，郭烈锦，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61