铈掺杂石墨相氮化碳光催化半导体材料及其应用制造技术

本发明专利技术公开了一种铈掺杂石墨相氮化碳光催化剂及其应用，其步骤包括将三聚氰胺和六水合硝酸铈放入玛瑙研钵中，充分研磨均匀，然后将混合物粉末转移到

【技术实现步骤摘要】
铈掺杂石墨相氮化碳光催化半导体材料及其应用


[0001]本专利技术属于纳米材料合成
，更具体地，涉及一种稀土铈掺杂石墨相氮化碳
(g
‑
C3N4)
光催化剂及制备和应用，其特征是稳定
、
无毒
、
光催化性能高效，可用于光催化制氢
、
二氧化碳还原
、
降解污染物等领域
。

技术介绍

[0002]近年来，随着经济的快速发展，日益枯竭的资源和严重的环境污染已成为全球人类面临的共同问题
。
以太阳能为基础的光催化技术可以将太阳能直接转化成化学能，实现清洁能源的转化以及对环境污染物的净化
(Adv. Funct.Mater.2019,29,1902486)。
传统半导体光催化剂如
TiO2、ZnO
等已被广泛应用于光催化领域
。
但是，高的光生电子
‑
空穴对复合率以及低太阳能利用率等缺点限制了其实际应用价值
(Adv.Funct.Mater.2018,28, 1705407)。
因此，设计开发新型高效的光催化半导体材料成为科研工作者重要的研究方向
。
[0003]在诸多半导体光催化剂中，石墨相氮化碳
(g
‑
C3N4)
是一种新型非金属催化剂材料，具有化学性质稳定
、
合成原料丰富
、
可见光响应以及环境友好等优点，已成为非金属光催化剂的研究热点，可用于光催化制氢
、
二氧化碳还原
、
降解污染物等，在光催化
有巨大潜在应用价值
(Angew. Chem.Int.Ed.2019,58,3433
–
3437)。
然而，
g
‑
C3N4光生载流子寿命短
、
易复合的缺点限制了其进一步应用
(Nano Energy 2018,50,383
–
392)。
针对这一缺点，多种改性方法如增加多孔性
、
金属
/
非金属掺杂
、
半导体复合
、
表面修饰等方法相继被用于提高
g
‑
C3N4的光催化效率
(Adv.Funct.Mater. 2019,29,1901024)。
其中，掺杂法是常用且有效的方法
。
研究发现：掺杂会导致
g
‑
C3N4晶格结构的缺陷，抑制光生电子
‑
空穴对的复合
(Carbon.2018, 130,636
–
644)
；掺杂离子与
g
‑
C3N4原有分子轨道发生杂化，从而改变
g
‑
C3N4的能带结构及电子结构
(J Hazard Mater.2020,382,121027)
；掺杂可以改变 g
‑
C3N4的片层大小，调节
g
‑
C3N4的结构尺寸
(B Korean Chem Soc.2015,36, 17
–
23)。
其中，铈
(Ce)
是一种友好的变价稀土材料，具有优异的导电性质，可广泛应用于光催化
、
电化学太阳能电池和传感器等
(Appl CatalB
‑
Environ.2020,268,118432)。
由于
Ce
的
4f
轨道不完全占据，
Ce
具有
Ce
4+
和
Ce
3+
的价变化
。
通过
Ce
掺杂
g
‑
C3N4，利用
Ce
3+
和
Ce
4+
的氧化还原循环，可以提高
g
‑
C3N4光诱导载流子的界面电荷转移和分离效率
(Mater Res Bull. 2020,125,110812)
，因而提高了
g
‑
C3N4光催化性能
。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于针对目前常用的光催化半导体材料的高的光生电子
‑ꢀ
空穴对复合率以及低太阳能利用率的问题，提供一种新型
、
稳定
、
高效的光催化半导体材料及制备方法
。
[0005]本专利技术采用三聚氰胺和六水合硝酸铈为原料的直接热聚合合成方法，设计并合成了一种稳定的高光催化活性稀土
Ce
掺杂
g
‑
C3N4光催化剂
。
[0006]所述
Ce
掺杂
g
‑
C3N4光催化半导体材料的制备方法如下：
[0007]按所需计量比将三聚氰胺和六水合硝酸铈放入玛瑙研钵中，充分研磨均匀，然后将混合物粉末转移到
50ml
带盖坩埚中，再将坩埚放在马弗炉内，在空气气氛中，升温速率为
15℃/min
，加热到
550℃
，并保持
550℃
下
4h。
反应结束后，样品冷却至室温，所得到的样品被研磨成粉末并收集，用来进一步使用
。
得到最终浅黄色粉末样品
。
[0008]所述的铈掺杂
g
‑
C3N4光催化半导体材料，制备过程中所用的六水合硝酸铈与三聚氰胺的质量比为
0.0017
‑
0.0333。
[0009]所述的未掺杂和铈掺杂
g
‑
C3N4光催化半导体材料，其特征在于：该材料的物相，结构表征由
X
‑
射线衍射仪测定，铈掺杂后，
g
‑
C3N4(100)
和
(002) 晶面的衍射峰峰位向高角度方向移动，峰强度减弱，出现宽化，说明铈掺杂在一定程度上改变了
g
‑
C3N4的缩聚程度及连接模式，
g
‑
C3N4的结构有序性降低，层间距缩小
。
[0010]所述的未掺杂和铈掺杂
g
‑
C3N4光催化半导体材料，通过紫外可见漫反射光谱图，该材料具有优异的光吸收性能，从而在光催化制氢过程中可以充分利用可见光，通过
Kubelka
‑
Munk
函数，材料的光学带隙确定为
2.7eV。
[0011]所述的未掺杂和铈掺杂
g
‑
C3N4光催化半导体材料，通过室温稳态荧光谱图，最本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
铈掺杂石墨相氮化碳光催化半导体材料，其特征在于，采用如下方法制备获得：按所需计量比将三聚氰胺和六水合硝酸铈混合均匀，然后将混合物粉末在空气气氛中，加热到
530
‑
560℃(
优选
545
‑
555℃)
，并保持3‑5小时
(
优选
3.5
‑
4.5
小时
)
；制备过程中所用的六水合硝酸铈与三聚氰胺的质量比为
0.005
‑
0.1:3(
优选
0.008
‑
0.012
：
3)。2.
如权利要求1所述的光催化半导体材料，其特征在于，三聚氰胺和六水合硝酸铈在研钵中的研磨混合均匀
。3.
如权利要求1所述的光催化半导体材料，其特征在于，三聚氰胺和六水合硝酸铈的混合物粉末从室温至加热温度的的升温速率为
13
‑
17℃/min(
优选
14
‑
16℃)。4.
如权利要求
1、2
或3所述的光催化半导体材料，其特征在于，反应结束后，样品冷却至室温，所得到的样品研磨成粉末并收集
。5.
如权利要求1所述的光催化半导体材料，其特征在于，该材料的光学带隙为
2.7eV
，并且最佳铈掺杂
(0.01Ce
‑
C3N4，六水合硝酸铈与三聚氰胺的质量比为
0.01
：
3)

【专利技术属性】
技术研发人员：羊送球，管鹏，
申请(专利权)人：中国科学院大连化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：