一种碳点限域量子点修饰的高效石墨相氮化碳基光催化剂及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于能源光催化领域，涉及光催化剂的制备，具体涉及一种碳点限域量子点修饰的高效石墨相氮化碳基光催化剂及其制备方法和应用。首先以热缩聚法制备g

【技术实现步骤摘要】
一种碳点限域量子点修饰的高效石墨相氮化碳基光催化剂及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于能源光催化
，涉及光催化剂的制备，具体涉及一种碳点限域量子点修饰的高效石墨相氮化碳基光催化剂及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]随着世界化石燃料的大量消耗，人类活动向大气中排放的CO2日益增多，极大的影响了自然界碳循环平衡，不仅加剧了全球气候变暖，还造成了严重的环境污染。目前，是世界各国努力发展的方向，利用太阳能将CO2还原转化成为高附加值的碳氢化合物，如：H2、CH4、CO、CH3OH和HCOOH等，既能实现太阳能的高效转化与存储，还能有效解决当前面临的能源与环境问题，是现阶段科学研究的前沿热点之一。迄今，各国学者研究开发了种类众多的高效半导体光催化材料，如：硫化物、氧化物、磷化物、氮化物以及卤氧化物等，该类光催化剂表现出较好的光催化CO2还原性能。但是，这些半导体材料存在一些物理化学性质的缺陷，如材料价格昂贵、禁带宽度较大、光生电子
‑
空穴对复合速率较快、单位面积活性位点较少等，导致半导体光催化剂很难有效的利用太阳光且光催化活性较低，进而限制其在大规模工业生产中的实际应用。因此，设计和开发高效、廉价和稳定的新型光催化剂是推动基于光催化技术实现太阳能高效转化为化学能（也即太阳燃料）规模化应用的至关重要的先决条件。
[0003]在众多的半导体光催化材料中，石墨相氮化碳（g
‑
C3N4）是一类被广泛应用的非金属有机聚合物光催化材料，其主要通过C和N原子之间的sp2杂化形成σ键而构成六边形层状结构，且层间主要通过范德华力结合。该材料具有原料来源丰富、制备工艺简单、带隙可调、热稳定性好、环境友好和易于被修饰改性等众多优点。但是，受其C和N原子间大π键芳香共轭结构的离域性不强以及层间范德华力作用影响，该层状材料的面内和面间载流子迁移能力差、复合效率高，进而成为制约其光催化性能提高的一个重要因素。针对这一关键科学问题，国内外学者深入研究了光催化CO2还原反应的催化机理以及影响催化剂活性的内在因素，已经探索出众多改进方法以强化光生载流子在g
‑
C3N4中的迁移和分离。其中，合理设计并构筑高效宽光谱响应型异质结光催化材料，通过搭建载流子快速传输通道和暴露更多的催化活性位点可以实现光生空穴
‑
电子对的快速分离、迁移并到达活性位点参与氧化还原反应，最终提高光催化剂的CO2还原性能。综合当前国内外大量文献报道可知，负载贵金属（如：Au、Ag和Pt等）基助催化剂可以显著增强异质结光催化剂的光催化还原CO2性能。但是不可避免的增加了催化剂的生产与使用成本，并不适用于规模化工业应用。

技术实现思路

[0004]针对现有技术中存在氮化碳层状材料的面内和面间的载流子迁移能力差、复合效率高导致的光催化性能差以及贵金属负载后所导致的催化剂生产和使用成本较高的技术问题，本专利技术提出了一种碳点限域量子点修饰的高效石墨相氮化碳基光催化剂及其制备方
法和应用，该方法制备工艺简单、普适性强，具有大规模工业应用的潜在开发前景；同时该催化剂在催化CO2还原上，实现CO2还原选择性和活性的明显提升。
[0005]为了达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：一种碳点限域量子点修饰的高效石墨相氮化碳基光催化剂，所述催化剂为g
‑
C3N4/CDs/M或g
‑
C3N4/CDs/MO
x
基光催化剂；CDs限域作用形成的CDs/M或CDs/MO
x
量子以团簇或量子点1
‑
10nm级别的大小呈高密度、单分散状态锚定在g
‑
C3N4表面，二者之间形成紧密连接的界面异质结构，其中M为Bi、W、Cu、Co、Ni或Mn中的任意一种过渡金属，X根据金属M与O之间的价态进行确定。
[0006]进一步，所述的碳点主要是作为金属和氮化碳连接的桥梁，同时可以作为载流子捕获和传输介质，促进界面间载流子分离与迁移。进一步，所述的碳点限域量子点修饰的高效石墨相氮化碳基光催化剂的制备方法，步骤如下：（1）石墨相氮化碳制备：以三聚氰胺为原料，采用常规热缩聚法制备石墨相氮化碳后，通过超声波细胞破碎仪将制备出的g
‑
C3N4超声剥离；（2）CDs的制备：将碳源与氮源加入到去离子水中形成混合溶液A后，超声溶解并搅拌，然后将混合溶液A进行水热反应，反应完成后经冷却、旋蒸和冷冻干燥后得到CDs；（3）CDs/M量子点的制备：将步骤（2）所得的CDs与金属盐化合物加入去离子水中超声分散均匀形成混合溶液B后，进行水热反应，反应结束后经冷却、旋蒸和冷冻干燥得到CDs/M量子点；（4）g
‑
C3N4/CDs/M或g
‑
C3N4/CDs/MO
x
基光催化剂的制备：将步骤（1）所得石墨相氮化碳和步骤（3）所得CDs/M或CDs/MO
x
量子点超声分散于去离子水中，水热反应完成后，经冷却、旋蒸和冷冻干燥得到g
‑
C3N4/CDs/M；g
‑
C3N4/CDs/M基光催化剂经空气烧结得g
‑
C3N4/CDs/MO
x
基光催化剂。
[0007]进一步，所述步骤（1）中热缩聚法反应温度为550℃，保温时间为4h；超声波细胞破碎仪的超声功率为300
‑
900W，超声时间为1
‑
2h，超声频次为每工作1秒暂停2秒。
[0008]进一步，所述步骤（2）中碳源为柠檬酸；氮源为尿素或乙二胺；其中柠檬酸与尿素的质量比1：2；柠檬酸与乙二胺的质量体积比为4.8g：1.675mL。
[0009]进一步，所述步骤（2）中水热反应的温度为150
‑
250℃，水热反应时间为8
‑
24h；冷冻干燥的时间为12
‑
24h。
[0010]进一步，所述步骤（3）金属盐化合物为锡盐化合物、铜盐化合物、锰盐化合物、铋盐化合物、钴盐化合物、镍盐化合物或钨盐化合物中的任意一种；其中锡盐化合物为碘化锡、溴化锡、硫化锡或氯化锡中的任意一种；铜盐化合物为碳酸铜、硫酸铜、硝酸铜或氯化铜中的任意一种；锰盐化合物为氯化亚锰、硫酸锰或硝酸锰中的任意一种；铋盐化合物为硝酸铋或氯化铋中的任意一种；钴盐化合物为乙酸钴、硝酸钴、碳酸钴或硫酸钴中的任意一种；镍盐化合物为乙酸镍、硝酸镍、碳酸镍或硫酸镍中的任意一种；钨盐化合物为硫酸钨、硝酸钨或碳酸钨的中的任意一种。
[0011]进一步，所述步骤（3）中CDs与金属盐化合物的质量比为（2
‑
10）：1，水热反应温度为150
‑
250℃，水热时间为5
‑
15h，冷冻干燥时间为12
‑
24h。
[0012]进一步，所述步骤（4）中石墨相氮化碳与CDs/M或CDs/MO
x
量子点本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳点限域量子点修饰的高效石墨相氮化碳基光催化剂，其特征在于：所述催化剂为g
‑
C3N4/CDs/M或g
‑
C3N4/CDs/MO
x
基光催化剂；CDs限域作用形成的CDs/M或CDs/MO
x
量子以团簇或量子点1
‑
10nm级别的大小呈高密度、单分散状态锚定在g
‑
C3N4表面，二者之间形成紧密连接的界面异质结构，其中M为Bi、W、Cu、Co、Ni或Mn中的任意一种主族金属或过渡金属，X根据金属M与O之间的价态进行确定。2.权利要求1所述的碳点限域量子点修饰的高效石墨相氮化碳基光催化剂的制备方法，其特征在于，步骤如下：（1）石墨相氮化碳制备：以三聚氰胺为原料，采用常规热缩聚法制备石墨相氮化碳后，通过超声波细胞破碎仪将制备出的g
‑
C3N4超声剥离；（2）CDs的制备：将碳源与氮源加入到去离子水中形成混合溶液A后，超声溶解并搅拌，然后将混合溶液A进行水热反应，反应完成后经冷却、旋蒸和冷冻干燥后得到CDs；（3）CDs/M量子点的制备：将步骤（2）所得的CDs与金属盐化合物加入去离子水中超声分散均匀形成混合溶液B后，进行水热反应，反应结束后经冷却、旋蒸和冷冻干燥得到CDs/M量子点；（4）g
‑
C3N4/CDs/M或g
‑
C3N4/CDs/MO
x
基光催化剂的制备：将步骤（1）所得石墨相氮化碳和步骤（3）所得CDs/M量子点超声分散于去离子水中，水热反应完成后，经冷却、旋蒸和冷冻干燥得到g
‑
C3N4/CDs/M基光催化剂；g
‑
C3N4/CDs/M基光催化剂经空气烧结得g
‑
C3N4/CDs/MO
x
基光催化剂。3.根据权利要求2所述的碳点限域量子点修饰的高效石墨相氮化碳基光催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中超声波细胞破碎仪的超声功率为300
‑
900W，超声时间为1
‑
2h，超声频次为每工作1秒暂停2秒。4.根据权利要求3所述的碳点限域量子点修饰的高效石墨相氮化碳基光催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中碳源为柠檬酸...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛超，赵锌洋，孔祥光，
申请(专利权)人：郑州大学，
类型：发明
国别省市：