[发明专利]一种g-C3N4@g-C4N3复合光催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种g‑C₃N₄@g‑C₄N₃复合光催化剂，通过共价键偶联构成，具有二维平面结构，其中，g‑C₄N₃的含量为3‑25wt％；该材料由三氰基甲烷化咪唑离子液体以及g‑C₃N₄的前驱体作为原料分散在水中，超声处理0.5～1h，蒸除水相，得到均匀混合体；并在管式炉中以一定的升温速率加热至400～420℃，维持1～2h，再升至500～550℃，加热2～5h，自然冷却至室温，去离子水洗涤，真空干燥，得到g‑C₃N₄@g‑C₄N₃复合光催化剂。

技术领域

本发明属于高分子半导体材料技术领域，具体涉及一种g-C₃N₄@g-C₄N₃(类石墨氮化合物g-C₃N₄和g-C₄N₃)碳复合光催化剂及其制备方法。

背景技术

近年来，随着对有机半导体材料研究的不断深入，一种高分子聚合物半导体材料—类石墨氮化碳(g-C₃N₄)引起了人们的广泛关注。与经典的无机氧化物半导体光催化剂TiO₂、ZnO相比，g-C₃N₄具有较好的可见光响应(带隙较窄Eg＝2.70eV)、化学性质稳定、廉价易制等优点，更重要的是其合适的能带结构，尤其是较高的导带位置以及其独特的二维片层结构，使其理论上同时具有较高的光催化降解污染物、光催化水分解及光催化CO₂还原活性。此外，g-C₃N₄还具备聚合物半导体的化学组成和能带结构易调控等特点，因此成为了最具研究潜力的新型半导体光催化剂之一。然而，g-C₃N₄与常规高分子聚合物一样，结晶度相对较差，而且具有较高的激子结合能，不利于光生载流子快速向催化剂表面迁移，因而其光生载流子的分离效率较低，严重抑制了g-C₃N₄的光催化活性，影响了其大规模推广和应用。为了进一步改善g-C₃N₄的物理及化学性质，通过形貌调控、元素掺杂以及与不同半导体材料的复合，成为近几年g-C₃N₄材料的研究热点。专利CN103170358A公开了一种多孔g-C₃N₄光催化剂及其制备方法，该方法将双氰胺和硫脲进行研磨混合，在空气气氛下煅烧混合物得到多孔g-C₃N₄。但单相材料无法实现光生电子-空穴对的有效分离，光催化活性受到限制。专利CN 105858730A公开了一种氮化碳/氧化钨复合空心微球材料及其制备方法，通过葡萄糖水热形成碳球并同步负载氧化钨和氮化碳，再经过高温煅烧去除模板同步形成氮化碳，制得壳层由氧化钨、氮化碳共同构筑而成的空心微球。但组成该异质结的两种材料为物理结合，光生载流子传输、分离能力有限。

最近，g-C₄N₃作为一种新型半金属材料备受关注，已有报道将其应用于光催化分解水制氢。g-C₄N₃具有与g-C₃N₄相似的结构，而且两者的前驱体具有能够发生共聚反应的官能团氰基。将g-C₄N₃与g-C₃N₄通过共价键结合，优异的界面性能将有助于快速输导电子，使得光生电子和空穴能够有效的分离和转移，进而能够显著提高材料的光电性能，使该复合材料在光催化污染物降解、分解水产氢产氧、CO₂还原转换等领域具有较大应用潜力。

发明内容