[发明专利]磺酸基官能团改性氮化碳光催化材料的制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种磺酸基官能团改性石墨相氮化碳光催化材料的制备方法，具体包括如下过程：将三聚氰胺放入带盖的氧化铝坩埚中，在马弗炉中加热得到石墨相氮化碳，所得产物与氨基磺酸机械研磨并充分混合。待混合均匀后，将所得混合物放入带盖的氧化铝坩埚中，并置于马弗炉中加热，即得。本发明解决了传统石墨相氮化碳存在的光生载流子复合率高、太阳光吸收利用率差以及比表面积小的问题。

技术领域

本发明属于半导体光催化材料技术领域，涉及一种磺酸基官能团改性氮化碳光催化材料的制备方法。

背景技术

日益严重的环境和能源危机导致人们对高效的环境修复技术和能源转换技术的需求不断增加。在这方面，光催化技术只需要一种合适的半导体材料作为光催化剂，太阳能作为能量输入，因而显示出巨大的应用前景。众所周知，开发高效稳定的光催化剂是该技术应用的关键。在过去的几十年中，各种半导体材料被应用于光催化领域，如TiO₂、WO₃、CdS、BiVO₄和SnO₂等，在这些半导体材料中，石墨相氮化碳(g-C₃N₄)作为一种有机非金属聚合物光催化材料因其制备简单、成本低廉、结构稳定、能带结构合适，迅速成为光催化领域的热点材料，并展现出了巨大的潜在应用前景(J.Mater.Sci.Technol.,2020,56,1-17)。但是g-C₃N₄的比表面积小、表面活性位点少，特别是光生载流子极易复合，导致其光催化性能较低(Adv.EnergyMater.,2018,8,1701503)。

发明内容

本发明的目的是提供一种磺酸基官能团改性氮化碳光催化材料的制备方法，该方法解决了传统石墨相氮化碳存在的光生载流子复合率高、太阳光吸收利用率差以及比表面积小的问题。

本发明所采用的技术方案是，磺酸基官能团改性石墨相氮化碳光催化材料的制备方法，具体包括如下过程：将三聚氰胺放入带盖的氧化铝坩埚中，在马弗炉中加热得到石墨相氮化碳，将石墨相氮化碳与氨基磺酸机械研磨并充分混合，待混合均匀后，将所得混合物放入带盖的氧化铝坩埚中，在马弗炉中加热，即得。

本发明的特点还在于：

氨基磺酸的用量为200～500mg。

三聚氰胺的用量为5g。

石墨相氮化碳与氨基磺酸的混合时间为20min。

一次烧结时，所述马弗炉中的加热条件为823K，2h，加热速率为5K min^-1；二次烧结时，所述马弗炉中的加热条件为523K，2h和673K，2h，加热速率为5K min^-1。

本发明的有益效果是，本发明通过氨基磺酸与氮化碳间的固态热反应，对氮化碳的结构进行改性修饰。根据固体强酸的特性，氨基磺酸可以在热处理的辅助下对氮化碳进行酸刻蚀，从而增大比表面积，增加表面催化活性中心。更重要的是，实验结果表明磺酸基的电子诱导效应产生的驱动力极大地改善了氮化碳的电荷转移动力学，有效地抑制了光生电荷的复合。此外，电子诱导效应可导致电荷再分布，降低氮化碳的导带电位，增强光生电子的还原能力。催化性能测试表明，所得光催化材料具有良好的光催化降解性能以及分解水制氢性能。

附图说明

图1(a)为本发明磺酸基官能团改性石墨相氮化碳光催化材料的制备方法中对比例1、2和实施例3的XPS全谱，横坐标为结合能，纵坐标为强度；

图1(b)为本发明磺酸基官能团改性石墨相氮化碳光催化材料的制备方法中对比例2和实施例3的XPS C 1s高倍谱，横坐标为结合能，纵坐标为强度；

图1(c)为本发明磺酸基官能团改性石墨相氮化碳光催化材料的制备方法中对比例2和实施例3的XPS N 1s高倍谱，横坐标为结合能，纵坐标为强度；