一种高效光解水制氢的富氮空位Se掺杂型石墨相氮化碳光催化剂制造技术

一种高效光解水制氢的富氮空位Se掺杂型石墨相氮化碳光催化剂，属于催化剂技术领域。通过采用Se辅助的化学气相沉积(CVD)可控制备工艺，成功构建了富氮空位Se掺杂型石墨相氮化碳(V

【技术实现步骤摘要】
一种高效光解水制氢的富氮空位Se掺杂型石墨相氮化碳光催化剂


[0001]本专利技术为一种具有优异光解水制氢性能的富氮空位Se掺杂型石墨相氮化碳(V
N
/Se
‑
CN)光催化剂。本专利技术首先以简单的热聚缩合法制备了体相石墨相氮化碳，然后采用Se蒸汽辅助的化学气相沉积法，以不同含量的Se单质纳米颗粒粉末为前驱体，制备了一系列富氮空位Se掺杂型石墨相氮化碳光催化剂。其中，Se用量为2wt％的富氮空位Se掺杂型石墨相氮化碳表现出最高的可见光光解水制氢性能和稳定性。

技术介绍

[0002]氢能作为一种新型的清洁能源，因其具有燃烧热值高、可再生、环境友好等优点而备受关注，其开发和利用对于“双碳”目标的实现意义重大。光催化水分解技术是制备氢能的一种高效、低成本、低耗能的理想途径，其关键在于高效光催化剂的研发。石墨相氮化碳(g
‑
C3N4)是一种制备简单、光吸收能力强、带隙可调的非金属化合物光催化剂，在光解水制氢领域具有良好的应用前景。然而，现阶段，体相石墨相氮化碳的光解水制氢性能仍不能满足工业化的制氢需求。因此，需要对其进行进一步的改性研究，以提高光催化活性。
[0003]研究表明，通过对石墨相氮化碳进行元素掺杂或空位缺陷调控，可以有效优化其物化属性和能级结构，从而提高其光催化活性。例如，Gou等人制备磷掺杂的石墨相氮化碳，磷的引入降低了带隙能量，提高了其电导率，并抑制了其内部光生电子与空穴的复合，从而提高了催化剂的可见光光催化制氢效率(Angew.Chem.Int.Ed.,2016,55,1830
‑
1834)；Zeng等人通过直接加热含水三聚氰胺，合成了氧掺杂的石墨相氮化碳，氧的掺入加速了其内部的电荷分离，促进了其电荷转移，使该催化剂的催化活性大幅提升(Appl.Catal.B,2018,224,1
‑
9)；Sun等人制备了具有缺陷的石墨相氮化碳，其内部的结构缺陷能够促进了激子的解离和光生载流子的分离，从而增强其光水解制氢能力(Appl.Catal.B,2020,264,118480)；Zhang等人构建了含氮空位的石墨相氮化碳，N空位的引入改善了其能级结构，缓解了光生电荷与空穴的复合，进而提高了石墨相氮化碳的光催化活性(Chem.Eng.J.,2022,431,134101)。
[0004]基于上述改性策略，本专利技术首先采用热聚缩合的方法制备体相石墨相氮化碳，然后采用Se蒸汽辅助的化学气相沉积法对石墨相氮化碳的物化属性和能级结构进行改性，并通过调控Se单质纳米颗粒粉末与石墨相氮化碳的相对用量(1wt％、2wt％、3wt％、5wt％)，制备得到一系列富氮空位Se掺杂型石墨相氮化碳光催化剂。本项专利技术公开了此类光催化剂的制备方法。其中，Se用量为2wt％的催化剂表现出最高的可见光光解水制氢性能和稳定性。

技术实现思路

[0005]本项专利技术采用Se蒸汽辅助的化学气相沉积法，通过Se蒸汽的高温刻蚀效应，实现在石墨相氮化碳框架结构中的Se元素掺杂与氮空位缺陷构筑的同步调控，从而成功制备了
富氮空位Se掺杂型石墨相氮化碳光催化剂。该催化剂的结构为二维片层结构；Se掺杂有助于提高石墨相氮化碳的可见光吸收能力；氮空位有助于石墨相氮化碳缺陷能级的构建。Se掺杂与氮空位的协同作用使石墨相在可见光驱动下的光解水制氢效率大幅提升。
[0006]所述富氮空位Se掺杂型石墨相氮化碳光催化剂的制备方法，包括以下步骤：
[0007](1)以尿素为前驱体，制备得到体相石墨相氮化碳，如尿素为前驱体，在550℃下煅烧4h；
[0008](2)将体相石墨相氮化碳与Se单质纳米颗粒粉末混合、研磨，然后真空密封于石英安瓿瓶中，对其进行高温煅烧；待温度逐渐降至室温，将样品从石英安瓿瓶中取出，并用二硫化碳和去离子水进行洗涤，以去除副产物；最后经过离心和干燥处理，得到富氮空位Se掺杂型石墨相氮化碳光催化剂。
[0009]步骤(2)中Se单质纳米颗粒粉末与石墨相氮化碳的质量比为(1
‑
5):100，优选2:100.
[0010]步骤(2)中高温煅烧指的是：以5℃/min的速率升温至450℃，保温4h。
[0011]本专利技术所得富氮空位Se掺杂型石墨相氮化碳光催化剂，用于光催化水分解制氢。进一步光催化剂分散在含有三乙醇胺的蒸馏水中，以Pt作为助催化剂，采用可见光作为光源，进行光催化水分解产氢。
[0012]本专利技术制备的富氮空位Se掺杂型石墨相氮化碳光催化剂的光解水制氢性能评价的具体操作步骤如下：将20mg富氮空位Se掺杂型石墨相氮化碳光催化剂分散在含有10vol％三乙醇胺的50mL的蒸馏水中，加入3wt％Pt作为助催化剂。光催化析氢实验采用与冷却系统连接的y型反应池和密闭的气体循环/排出系统，采用装有L40滤波片的300W氙灯作为可见光光源，用GC7900气相色谱仪检测光催化反应所产生的氢气含量。
[0013]本专利技术的Se元素通过取代C原子掺杂进入石墨相氮化碳的框架结构，同时诱导大量氮空位的产生。本专利技术原材料价廉易得、制备工艺流程简便、产物的形貌与氮空位含量可控，在可见光的照射下表现出良好的光解水制氢活性。其中，富氮空位Se掺杂型石墨相氮化碳(Se前驱体用量为2wt％)产氢活性最高，达到5418μmol h
‑1g
‑1，是体相石墨相氮化碳的18倍。
附图说明
[0014]图1，为所制得富氮空位Se掺杂型石墨相氮化碳(Se前驱体含量为2wt％)的TEM、STEM图及其EDS元素分析。其中图(a)为TEM图，图(b)为STEM图，图(c
‑
f)分别为C、N、Se元素分布图。
[0015]图2，为体相石墨相氮化碳和富氮空位Se掺杂型石墨相氮化碳(Se前驱体用量为2wt％)的EPR谱图。EPR谱图能够反应出样品中未成对电子的含量，从图中可知富氮空位Se掺杂型石墨相氮化碳(Se前驱体用量为2wt％)中的未成对电子明显增加。
[0016]图3，为体相石墨相氮化碳和富氮空位Se掺杂型石墨相氮化碳(Se前驱体用量为2wt％)的UV
‑
vis图。与体相石墨相氮化碳相比，富氮空位Se掺杂型石墨相氮化碳(Se前驱体用量为2wt％)的光吸收能力有所提升。
[0017]图4，为所制备样品的可见光光催化水分解产氢活性图。所制得的光催化剂均表现出优异的光解水制氢性能，其中富氮空位Se掺杂型石墨相氮化碳(Se前驱体用量为2wt％)
光催化产氢活性达到5418μmol h
‑1g
‑1，是体相石墨相氮化碳的18倍。
具体实施方式
[0018]下面列出了具体实施例，对本专利技术做出更加详细的阐述，并且对制得的光催化剂通过附图进行了描述。
[0019]实施例1：体相石墨相氮化碳的制备。称取50g尿素，放入100mL的坩埚中并密封。将坩埚置于马弗炉中，以5℃/min的速率升温至550℃，保持4h。待马弗炉降至室温，将本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种富氮空位Se掺杂型石墨相氮化碳光催化剂的制备方法，包括以下步骤：(1)以尿素为前驱体，制备得到体相石墨相氮化碳；(2)将体相石墨相氮化碳与Se单质纳米颗粒粉末混合、研磨，然后真空密封于石英安瓿瓶中，对其进行高温煅烧；待温度逐渐降至室温，将样品从石英安瓿瓶中取出，并用二硫化碳和去离子水进行洗涤，以去除副产物；最后经过离心和干燥处理，得到富氮空位Se掺杂型石墨相氮化碳光催化剂。2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中Se单质纳米颗粒粉末与石墨相氮化碳的质量比为(1
‑
5):100，优选2:100。3.按照权利要求1所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：敬林，张启超，戴洪兴，邓积光，刘雨溪，隗陆，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：