一种氮缺陷/氧掺杂的小尺寸结晶氮化碳光催化剂的制备方法及应用技术

本发明专利技术属于半导体光催化剂技术领域，具体涉及一种氮缺陷/氧掺杂的小尺寸结晶氮化碳光催化剂的制备方法和应用。首先以尿素为前驱体，在空气气氛下热缩聚合成由含有末端氧的七嗪单元组成的低聚物；然后与氯化钠、氯化钾充分混合后在氮气气氛下煅烧，煅烧后得到的产物经水洗去除多余盐分后干燥，得到氮缺陷/氧掺杂的小尺寸结晶氮化碳。氮缺陷/氧掺杂协同促进光捕获和激子的解离，小尺寸和结晶度的改善加速了电荷从体相到表面反应位点的扩散，该催化剂表现出良好的光电性能和优异的光催化分解水产氢活性。该催化剂的合成方法简易，能够批量生产，是目前光催化分解水产氢效率较高的非金属光催化剂，具有实现光催化全解水的潜力和工业应用的前景。和工业应用的前景。和工业应用的前景。

【技术实现步骤摘要】
一种氮缺陷/氧掺杂的小尺寸结晶氮化碳光催化剂的制备方法及应用
[0001]申请人：中国石油大学(华东)
[0002]地址：266580山东省青岛市黄岛区长江西路66号
[0003]专利技术人：张洋、赵朝成、王永强、贺凤婷、鹿洋铭、王舒凌


[0004]本专利技术属于半导体光催化剂
，具体涉及一种氮缺陷/氧掺杂的小尺寸结晶氮化碳光催化剂的制备方法和应用。

技术介绍

[0005]光催化技术因其绿色、清洁、成本低等优点在环境修复和能源转化等领域得到了广泛应用。特别是光催化裂解水产氢被认为是解决能源危机和环境污染问题最具前景的方案之一。石墨相氮化碳(g
‑
C3N4)作为一种二维非金属有机半导体材料，因其带隙适宜(～2.7eV)、稳定性高、环境友好、易于修饰等优点，在光催化制氢等方面得到了广泛研究。由于热缩聚过程传质受限，得到的g
‑
C3N4结晶度低、团聚严重，导致电荷解离和载流子传输性能差、界面电荷转移动力学慢，光催化活性较低，难以应对可持续能源供应的重大挑战。
[0006]通过提高g
‑
C3N4的结晶度、破坏对称结构或减小粒径尺寸是优化其电荷解离和光生电荷传输，减小光生电荷从体相到表面反应位点的扩散距离，实现高效裂解水产氢的有效途径。本专利采用熔盐辅助热解的方法，在不额外引入氧源的条件下，得到了氮缺陷/氧掺杂的小尺寸结晶氮化碳。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于，提供一种氮缺陷/氧掺杂的小尺寸结晶氮化碳的制备方法，并考察其在可见光下裂解水产氢的光催化性能。以尿素、氯化钠、氯化钾为原料，通过两步热缩聚与熔盐辅助策略得到了氮缺陷/氧掺杂的小尺寸结晶氮化碳。氧原子的引入和氮缺陷的存在破坏了面内对称结构，使面内重合的正负电荷中心分离，促进了光吸收和激子解离，抑制了光生电子
‑
空穴的复合；结晶度的改善以及粒径尺寸的减小，减小了光生电荷从体相迁移到表面反应位点的阻力和距离，这使得氮缺陷/氧掺杂的小尺寸结晶氮化碳具有优异的光电性能和光催化裂解水产氢活性。
[0008]为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0009]一种氮缺陷/氧掺杂的小尺寸结晶氮化碳光催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0010](1)将尿素固体颗粒放入带盖坩埚中，在马弗炉中以一定的速率升温至指定温度煅烧，保温一段时间后，自然冷却得到由含有末端氧的七嗪单元组成的低聚物，记为U
‑
400。
[0011](2)将步骤(1)得到的低聚物和氯化钠、氯化钾混合后研磨均匀，放入带盖氧化铝方舟内，然后在惰性气氛下于管式炉中以一定的速率升温至指定温度，保温一段时间后，自
然冷却；用去离子水多次洗涤去除多余的盐，干燥后得到氮缺陷/氧掺杂的小尺寸结晶氮化碳，记为OCCN。
[0012]进一步的，步骤(1)中带盖坩埚保持半封闭状态，煅烧气氛为空气。
[0013]进一步的，步骤(1)中所述的升温速率为2～10℃/min，保温反应温度为370～450℃，时间为1.5～4h。
[0014]进一步的，步骤(2)中所述低聚物与氯化钠的质量比为1：(3～6)，低聚物与氯化钾的质量比为1：(2.5～4.5)。
[0015]进一步的，步骤(2)中所述的研磨时间为20～60min。
[0016]进一步的，步骤(2)中所述的带盖氧化铝方舟保持半封闭状态，惰性气氛为氮气。
[0017]进一步的，步骤(2)中所述的升温速率为2～8℃/min，保温反应温度为500～600℃，时间为2～4h。
[0018]进一步的，步骤(2)中所述的干燥温度为50～80℃，时间为4～12h。
[0019]本专利技术还提供了上述氮缺陷/氧掺杂的小尺寸结晶氮化碳光催化剂在光催化分解水产氢中的应用。
[0020]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
[0021]1.本专利技术提供了氮缺陷/氧掺杂的小尺寸结晶氮化碳光催化剂的制备方法，仅使用廉价的尿素作为前驱体，经过简单的两步煅烧实现了氧的自掺杂，引入了氮缺陷，提高了结晶度并减小了粒径。氧原子的引入和氮缺陷的存在破坏了面内对称结构，使面内重合的正负电荷中心分离，促进了光吸收和激子解离，抑制了光生电子
‑
空穴的复合；结晶度的改善以及粒径尺寸的减小，减小了光生电荷从体相迁移到表面反应位点的阻力和距离，进一步抑制了光生电子
‑
空穴的复合。
[0022]2.本专利技术制备的氮缺陷/氧掺杂的小尺寸结晶氮化碳光催化剂，具有优异的光电性能和光催化裂解水产氢活性。
[0023]3.本专利技术制备方法简易，能够批量生产，是目前光催化分解水产氢效率较高的非金属光催化剂，具有实现光催化全解水的潜力和工业应用的前景。
附图说明
[0024]图1为实施例1所制备的OCCN光催化剂的制备流程示意图；
[0025]图2为实施例1所制备的OCCN光催化剂的扫描电镜图；
[0026]图3为实施例1所制备的OCCN光催化剂的透射电镜图；
[0027]图4为对比例1～4和实施例1中所制备的U
‑
400、U
‑
550、UCN、CCN和OCCN的X射线衍射图；
[0028]图5为对比例1～4和实施例1中所制备的U
‑
400、U
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550、UCN、CCN和OCCN的傅里叶变换红外光谱图；
[0029]图6为对比例1～4和实施例1中所制备的U
‑
400、U
‑
550、UCN、CCN和OCCN的紫外
‑
可见吸收光谱图；
[0030]图7为对比例1～4和实施例1中所制备的U
‑
400、U
‑
550、UCN、CCN和OCCN的光致发光光谱；
[0031]图8为对比例2～4和实施例1中所制备的U
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550、UCN、CCN和OCCN的电化学阻抗谱；
[0032]图9为对比例2～4和实施例1中所制备的U
‑
550、UCN、CCN和OCCN的瞬时光电响应曲线图；
[0033]图10为对比例2～4和实施例1中所制备的U
‑
550、UCN、CCN和OCCN在可见光下(≥420nm)光催化分解水产氢速率图；
[0034]图11为实施例1～3中所制备OCCN在可见光下(≥420nm)光催化分解水产氢速率图。
具体实施方式
[0035]为了便于理解本专利技术，下面将参照相关附图对本专利技术进行更全面的描述。但是，不应理解为对本专利技术的限制。相反地，提供这些实施例的目的是使对本专利技术的公开内容的理解更加透彻全面。
[0036]对比例1：
[0037]U
‑
400的制备：
[0038]称取10g尿素固体颗粒置于带盖坩埚内，保持坩本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氮缺陷/氧掺杂的小尺寸结晶氮化碳光催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将尿素固体颗粒放入带盖坩埚中，在马弗炉中以一定的速率升温至指定温度煅烧，保温一段时间后，自然冷却得到由含有末端氧的七嗪单元组成的低聚物，记为U
‑
400；(2)将步骤(1)得到的低聚物和氯化钠、氯化钾混合后研磨均匀，放入带盖氧化铝方舟内，然后在惰性气氛下于管式炉中以一定的速率升温至指定温度，保温一段时间后，自然冷却；用去离子水多次洗涤去除多余的盐，干燥后得到氮缺陷/氧掺杂的小尺寸结晶氮化碳。2.根据权利要求1所述的含有末端氧的七嗪单元组成的低聚物的制备方法，其特征在于，步骤(1)中带盖坩埚保持半封闭状态，煅烧气氛为空气。3.根据权利要求1所述的含有末端氧的七嗪单元组成的低聚物的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述的升温速率为2～10℃/min，保温反应温度为370～450℃，时间为1.5～4h。4.根据权利要求1所述的氮缺陷/氧掺杂的小尺寸结晶氮化碳光催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述低聚物与氯化钠的质量比为1：(3...

【专利技术属性】
技术研发人员：张洋，赵朝成，王永强，贺凤婷，鹿洋铭，王舒凌，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：