[发明专利]富含低价态锌离子的Zn/氮化碳异质结材料的制备方法及产品和应用

说明书

本发明公开了一种富含低价态Zn⁺离子的Zn/氮化碳异质结材料的制备方法及其产品和应用，具体涉及一种利用金属改性g‑C₃N₄材料的制备方法。该方法包括氢化g‑C₃N₄材料的制备和利用真空化学气‑固相反应法将金属离子组装扩散到氢化g‑C₃N₄中，得到富含低价态Zn⁺离子的Zn/C₃N₄异质结复合材料。Zn/C₃N₄异质结结构的存在，能够加快光生电子和空穴向表面的迁移，有效抑制光生电子和空穴的复合；同时该复合材料中还存在一定量高活性的Zn⁺离子，在可见光的激发下产生电子的转移，大大提高光催化活性。经测定，该材料的制氢产率可达到36.98 mmol h⁻¹g⁻¹，显示出优异的光解水制氢性能。

技术领域

本发明涉及的是一种富含低价态Zn⁺离子的Zn/氮化碳异质结材料的制备方法及产品和应用，具体是一种利用金属改性氮化碳材料的方法。

背景技术

能源是我们人类生存与发展重要的物质基础。能源的开发利用大到关乎一个国家乃至整个世界的发展，小到和我们每一个个体的衣食住行紧密相关。氢气具有燃烧热值高热、来源广、反应产物无污染、利用形式多、可储能等优点，是未来理想且极其重要的的清洁能源载体。根据2018 年中国氢能源及燃料电池产业高峰论坛发布的《中国氢能源及燃料电池产业发展研究报告》，中国目前是世界第一的产氢国，有丰富的氢能源基础，中国计划在2050 年使氢能在我国终端能源体系占比达到10%，使其广泛应用到建筑、交通、化工原料、工业领域，成为我国能源战略重要的组成部分。

近年来氮化碳的研究和应用吸引了众多的关注，氮化碳（g-C₃N₄）不仅拥有一般碳材料所拥有的表面积大、化学稳定性等特点，同时其表面特有的丰富的氮官能团，可以与金属之间相互作用，使得金属颗粒稳定的分布在其表面。事实上，带隙为2.7eV 的g-C₃N₄ 本身具有一定的化学活性，在适当的给电子供体的存在下，氮化碳在光解水制氢反应中表现出良好的活性。研究表明，将g-C₃N₄ 和金属纳米颗粒结合，形成金属半导体异质结，增强由光激发引起的金属和半导体之间的电子转移过程，可以提高化学活性。因而以氮化碳为载体的负载型金属催化剂有着重要的研究意义。

当前，对氮化碳材料的改性方式有很多，当氮化碳和金属颗粒形成半导体异质结后，可以加快光生电子和空穴向表面的迁移，有效抑制光生电子和空穴的复合，能够显著提高光催化活性，产生明显的制氢效果。另外，通过能级匹配的方式也可以实现电子和空穴的有效分离，比如g-C₃N₄与CdS，SnO₂和W₂O₃等材料的复合，光生电子可以从带隙窄、并且导带更低的半导体转移到氮化碳中的导带中，实现电子空穴的分离，提高量子效率，最终提高它的光催化活性。中国发明专利201711264203.1就公开了一种CuO/C₃N₄复合光催化剂的制备方法，该发明专利利用Pluronic F127和酚醛树脂制备出CuO/C₃N₄异质结材料，具有较高的可见光催化制氢活性。

低价态Zn⁺ 离子是近年来报道的一种具有较高活性的金属离子，它具有较高的光催化活性，可以捕捉空气中的氧气分子。中国发明专利CN201010577730.X 曾提供了一种含有Zn⁺离子的分子筛复合材料的制备方法，在可见光的照射下Zn⁺离子显示出高效催化甲烷耦合制备乙烷的性能。