一种非金属基光电阴极的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种非金属基光电阴极的制备方法。本发明专利技术通过溶液化学法的制备石墨炔；将尿素置于马弗炉中，550℃煅烧4h，制备块材g‑C3N4，再将块材g‑C3N4分散在N‑甲基吡咯烷酮溶剂中超声20h，得到g‑C3N4纳米片分散液；采用溶剂热法将二者复合，即得到g‑C3N4/GDY光电阴极。本发明专利技术克服了一般空穴传输材料使用含金属的氧化物且与g‑C3N4复合来构建非金属基光电阴极。光照下，本发明专利技术所得g‑C3N4/GDY光电阴极在‑0.1V(vs NHE)得到了较高的光电流响应值，是单独g‑C3N4和单独GDY的3倍之高。本发明专利技术光阴极有很好的光电催化活性和稳定性且制备方法简单。

A preparation method of a non metal based photocathode

【技术实现步骤摘要】
一种非金属基光电阴极的制备方法
本专利技术属于半导体光电催化分解水产氢
，涉及一种非金属基g-C3N4/GDY光电阴极的制备方法。
技术介绍
由于未来对可再生清洁能源的需求不断增加，开发高效的太阳能氢能成为主要的科学挑战。原则上，只有当光生电荷产生且传送到催化剂表面才能发生光电催化水分解反应。然而，这一过程中，光生电荷会发生高达90％的复合率，这严重限制了光电化学转换效率。由于光生空穴传输速率低于光生电子传输速率，所以严重阻碍了光生电荷的有效分离。事实上，作为空穴传输的助催化剂，例如RuO2，IrO2，和CoOx等金属氧化物已经被用于传输光生空穴，然而半导体中作为空穴的有效提取仍局限于导致光生电荷复合的长距离传输，为了获得高效的电荷转移，设计精细结构来优化空穴的传输动力学是必不可少的。g-C3N4，一种低成本且稳定的高分子半导体由于其优异的电子特性和稳定性已广泛应用于光电分解水产氢，但也存在光生电子空穴复合严重的问题。目前为止，已采取调整g-C3N4的本征电子结构和构建复合物结构来提高g-C3N4的电荷分离。例如，可通过掺杂元素改变g-C3N4的电子能带结构，从而提高电荷的传输速率；传输距离的缩短可通过设计超薄或多孔结构来实现；构建一种g-C3N4与碳纳米管或石墨烯混合物结构可以促进光生电子和空穴的传输。目前，没有报道提示两种非金属材料复合后是否能够作为光电阴极产氢。
技术实现思路
为了解决上述存在的问题，本专利技术首次通过一种简单的方法将两种非金属材料g-C3N4与GDY复合作为光电阴极产氢。光照下，这一非金属基g-C3N4/GDY光电阴极在-0.1V(vsNHE)得到了较高的光电流响应值，是单独g-C3N4和单独GDY的3倍之高。为研究此催化过程的电荷转移特性，我们对其进行了光致荧光分析与阻抗谱的测试，也对其光电性质提高的机理做了一定的讨论。本专利技术的目的在于提供一种非金属基g-C3N4/GDY光电阴极的制备方法。本专利技术所采取的技术方案是：一种非金属基g-C3N4/GDY光电阴极的制备方法，包括以下步骤：制备石墨炔纳米墙：在溶剂中加入铜片作基底，再滴入六炔基苯溶液，使六炔基苯在铜的催化作用下在溶剂中发生偶联反应，得到在铜片基底上生长的石墨炔纳米墙；制备g-C3N4纳米片分散液：将尿素煅烧后得到块材g-C3N4，将块材g-C3N4加入到分散剂N-甲基吡咯烷酮中，超声处理后得到g-C3N4纳米片分散液；制备g-C3N4/GDY光电阴极：将上述制备的长有石墨炔纳米墙的铜片加入g-C3N4纳米片分散液的中，然后在45～55℃反应8～14h，取出铜片，烘干，铜片表面生成的物质即为g-C3N4/GDY光电阴极。进一步的，所述溶剂由四甲基乙二胺：吡啶：丙酮按体积比为1：(4～6)：(90～110)组成。进一步的，所述偶联反应的时间为18～22h。进一步的，所述六炔基苯溶液为六炔基苯的丙酮溶液。进一步的，所述六炔基苯的用量为0.5～1mg每平方厘米的铜片表面积。进一步的，所述分散剂为N-甲基吡咯烷酮或水。进一步的，所述g-C3N4纳米片分散液的浓度为0.8～1.2mg/mL。进一步的，长有石墨炔纳米墙的铜片与g-C3N4纳米片分散液的用量情况为：每5mlg-C3N4纳米片分散液加入表面积为3～6cm2的长有石墨炔纳米墙的铜片进行反应。一种非金属基g-C3N4/GDY光电阴极，其制备方法为上述任一所述的方法。上述任一所述方法制备的非金属基g-C3N4/GDY光电阴极在光电催化产氢中的应用。本专利技术的有益效果是：(1)采取了简单的剥离手段制备g-C3N4纳米片分散液，用简单的方法制备了非金属基g-C3N4/GDY光电阴极。(2)本专利技术制备的光电阴极用于光电分解水产氢，操作简单，催化效果明显，具有较好的稳定性，这一专利技术提供了一种新的方法优化g-C3N4的光电催化活性。(3)光照下，本专利技术所得g-C3N4/GDY光电阴极在-0.1V(vsNHE)得到了较高的光电流响应值，是单独g-C3N4和单独GDY的3倍之高。此方法制备的光阴极有很好的光电催化活性和稳定性且制备方法简单。(4)本专利技术方法制得的g-C3N4/GDY光阴极为低成本且无毒的非金属材料附图说明图1为实施例1所制备的光电阴极的SEM图(a)GDY和(b)g-C3N4/GDY；TEM图(c)GDY和(d)g-C3N4/GDY；HRTEM图(e)g-C3N4/GDY；(f-h)相应的元素分布图C元素(f)，N元素(g)，C元素和N元素(h)。图2为本专利技术制备的GDY和g-C3N4/GDY的拉曼光谱；a)为GDY的拉曼光谱；和b)为g-C3N4/GDY的拉曼光谱；c)和d)分别为本专利技术制备的g-C3N4/GDY的C1s、N1s高分辨XPS光谱图。图3a)为本专利技术制备的g-C3N4/GDY光电阴极在光照和不光照条件下的开路电压响应图；b)为光照条件下g-C3N4和g-C3N4/GDY光电阴极的电化学阻抗谱图；c)为g-C3N4和g-C3N4/GDY光电阴极的波特相位图；d)为本专利技术制备的g-C3N4/GDY光电阴极在光照和不光照条件下的线性扫描循环伏安图。图4为本专利技术制备的g-C3N4/GDY光电阴极在光照条件下外加电压为-0.4VvsNHE在0.1MNa2SO4电解质溶液中电流随时间变化曲线。图5为本专利技术g-C3N4/GDY光电阴极的产氢机理研究，图a)为GDY，g-C3N4和g-C3N4/GDY的XPS价带谱图；b)为g-C3N4和g-C3N4/GDY的光致荧光光谱；c)为g-C3N4和g-C3N4/GDY的莫特肖特基曲线；紫外可见吸收光谱(d)g-C3N4和(e)GDY；托克曲线(f)g-C3N4和(g)GDY。图6为本专利技术g-C3N4/GDY光电阴极中g-C3N4和GDY的能带结构示意图。具体实施方式一种非金属基g-C3N4/GDY光电阴极的制备方法，包括以下步骤：制备石墨炔纳米墙：在溶剂中加入铜片作基底，再滴入六炔基苯溶液，使六炔基苯在铜的催化作用下在溶剂中发生偶联反应，得到在铜片基底上生长的石墨炔纳米墙；制备g-C3N4纳米片分散液：将尿素煅烧后得到块材g-C3N4，将块材g-C3N4加入到分散剂N-甲基吡咯烷酮中，超声处理后得到g-C3N4纳米片分散液；制备g-C3N4/GDY光电阴极：将上述制备的长有石墨炔纳米墙的铜片加入g-C3N4纳米片分散液的中，然后在45～55℃反应8～14h，取出铜片，烘干，铜片表面生成的物质即为g-C3N4/GDY光电阴极。优选的，所述溶剂由四甲基乙二胺：吡啶：丙酮按体积比为1：(4～6)：(90～110)组成。优选的，所述铜片先用稀盐酸清洗，清水洗去残余盐酸之后用丙酮清洗。优选的，所述偶联反应的时间为18～22h。优选的，所述六炔基苯溶液为六炔基苯的丙酮溶液。优选的，所述六炔基苯的用量为0.5～1mg每平方厘米的铜片表面积。优选的，所述尿素煅烧的温度为500～600℃，煅烧的时间为3.5～4.5h。优选的，所述分散剂为N-甲基吡咯烷酮或水。更优选的，所述分散剂为N-甲基吡咯烷酮。优选的，所述超声处理的时间为18～22h。优选的，所述g-C3N4纳米片分散液的浓度为0.8～1.2mg/mL。优选的，长有石墨炔纳米墙的铜片与本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种非金属基g‑C3N4/GDY光电阴极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：制备石墨炔纳米墙：在溶剂中加入铜片作基底，再滴入六炔基苯溶液，使六炔基苯在铜的催化作用下在溶剂中发生偶联反应，得到在铜片基底上生长的石墨炔纳米墙；制备g‑C3N4纳米片分散液：将尿素煅烧后得到块材g‑C3N4，将块材g‑C3N4加入到分散剂中，超声处理后得到g‑C3N4纳米片分散液；制备g‑C3N4/GDY光电阴极：将上述制备的长有石墨炔纳米墙的铜片加入g‑C3N4纳米片分散液的中，然后在45～55℃反应8～14h，取出铜片，烘干，铜片表面生成的物质即为g‑C3N4/GDY光电阴极。

【技术特征摘要】
1.一种非金属基g-C3N4/GDY光电阴极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：制备石墨炔纳米墙：在溶剂中加入铜片作基底，再滴入六炔基苯溶液，使六炔基苯在铜的催化作用下在溶剂中发生偶联反应，得到在铜片基底上生长的石墨炔纳米墙；制备g-C3N4纳米片分散液：将尿素煅烧后得到块材g-C3N4，将块材g-C3N4加入到分散剂中，超声处理后得到g-C3N4纳米片分散液；制备g-C3N4/GDY光电阴极：将上述制备的长有石墨炔纳米墙的铜片加入g-C3N4纳米片分散液的中，然后在45～55℃反应8～14h，取出铜片，烘干，铜片表面生成的物质即为g-C3N4/GDY光电阴极。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述溶剂由四甲基乙二胺：吡啶：丙酮按体积比为1：(4～6)：(90～110)组成。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述偶联反应的时间为1...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲁统部，韩莹莹，卢秀利，
申请(专利权)人：天津理工大学，
类型：发明
国别省市：天津,12