[发明专利]N掺杂黑磷烯光催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种N掺杂黑磷烯光催化剂及其制备方法和应用，本发明N掺杂黑磷烯是从黑磷烯本身结构或性质出发，通过采用在氩气/氨气混合气氛下，对黑磷粉末进行煅烧的方法，通过黑磷结构中的磷原子与氮原子形成了P‑N共价键，首次成功将电负性更强的N掺杂进黑磷烯晶体结构中。以在保持黑磷晶体结构和光电性质的前提下，首次通过N原子掺杂以增强黑磷烯与金属的相互作用，从而为金属钴提供更多的锚定位点，以显著提高金属钴在黑磷烯上的负载量，并进一步增强N掺杂黑磷烯的光催化产氢活性。实验结果表明：金属钴的负载量与黑磷烯本身相比已有显著提高，并因此使光催化产氢活性大大提高。

技术领域

本发明属于光催化制氢技术领域，涉及N掺杂黑磷烯光催化剂及其制备方法和应用，尤其涉及将氮元素掺杂进黑磷烯以提高金属钴负载量，并用作光催化剂以驱动光催化反应制氢。

背景技术

黑磷烯，是二维层状材料家族的新成员，因具有可调谐直接带隙、超高电荷迁移率、强光学吸收、大比表面积和各向异性结构等独特特性，从而迅速发展为继石墨烯之后最受关注的二维材料之一。其随层数变化的能带带隙性质(0.3eV～2eV)弥补了石墨烯零带隙与金属硫族化合物带隙过大的不足，从而使得黑磷烯成为具有极大发展潜力的光催化剂半导体材料(参见Adv.Mater.2018,30(32),1800295，Small.2019,1804565，Advanced EnergyMaterials 2018,8(5),1701832，Adv.Funct.Mater.2020,30(22)，ACS nano 2014,8(4),4033-4041)。但是，黑磷烯自身的光催化活性因光生电荷易复合，黑磷烯易氧化分解等缺陷，而受到严重限制。因此，基于黑磷烯的光催化体系常常需要引入助催化剂。

过渡金属因高的催化活性而备受关注，经过近几年的研究发展，基于过渡金属/黑磷复合光催化剂的光催化太阳能转换系统已经陆续被报道出来(如Adv.Mater.2018,1803641，Adv.Mater.2017,29(42)，Adv.Sci.2018,5,1800575，Chem.Commun.,2017,53,10946-10949，Adv.Mater.2018,1803641)。在众多过渡金属中，金属钴以及磷化钴作为助催化剂的光催化水分解体系表现出了优异的催化活性，此外相较于贵金属，金属钴还具有成本低廉，储备丰富等优势。因此，选择金属钴作为黑磷烯基光催化体系的助催化剂具有较高地应用前景(如Angew.Chem.Int.Ed.2018,57,2600-2604，ACS Catal.2019,9,9,7801–7807)。但是黑磷烯本身与钴金属离子的相互作用较弱导致黑磷烯对金属钴的负载量低，从而导致光催化水分解产氢活性不尽人意。因此，如何开发出一种从黑磷烯本身结构或性质出发，能够增大金属钴负载量来提高光催化产氢活性的光催化剂及其制备方法成为亟待解决的技术问题。

发明内容

为了改善上述技术问题，本发明的目的是提供一种具有更高过渡金属负载量的黑磷烯，从而大大提高其光催化活性。

本发明目的通过如下技术方案实现：

一种改性的黑磷烯，其中黑磷烯为N掺杂的，且过渡金属负载于所述N掺杂黑磷烯上。

根据本发明的实施方案，所述过渡金属优选为钴。

根据本发明的实施方案，以所述N掺杂黑磷烯的质量计，过渡金属在N掺杂的黑磷烯上的负载量为0.002～0.15wt％，优选为0.004～0.1wt％，示例性为0.004wt％、0.008wt％、0.01wt％、0.015wt％、0.018wt％、0.02wt％、0.026wt％、0.03wt％、0.04wt％、0.05wt％、0.06wt％、0.08wt％、0.09wt％、0.1wt％。

根据本发明的实施方案，所述N掺杂黑磷烯中，N的掺杂量为N掺杂黑磷烯总质量的1～5％，优选为2～4％，示例性为1％、2％、3％、3.64％、4％、5％。

根据本发明的实施方案，所述改性的黑磷烯为纳米片。