[发明专利]一种碳点限域量子点修饰的高效石墨相氮化碳基光催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明属于能源光催化领域，涉及光催化剂的制备，具体涉及一种碳点限域量子点修饰的高效石墨相氮化碳基光催化剂及其制备方法和应用。首先以热缩聚法制备g‑Csubgt;3/subgt;Nsubgt;4/subgt;，其次制备CDs，然后制备CDs/M，最后制备g‑Csubgt;3/subgt;Nsubgt;4/subgt;/CDs/M或g‑Csubgt;3/subgt;Nsubgt;4/subgt;/CDs/MOsubgt;x/subgt;基催化剂。其中CDs/M或CDs/MOsubgt;x/subgt;量子呈高密度单分散状态锚定在g‑Csubgt;3/subgt;Nsubgt;4/subgt;表面，二者之间形成紧密连接的界面异质结构，并作为载流子高速传输通道，促进光生载流子的分离与快速迁移，显著增加催化活性位点数量并提高表界面反应速率。催化剂各功能组分的协同作用共同促进了催化剂展现出高效稳定的COsubgt;2/subgt;还原性能。本发明催化剂制备工艺简单，应用前景广阔。

技术领域

本发明属于能源光催化技术领域，涉及光催化剂的制备，具体涉及一种碳点限域量子点修饰的高效石墨相氮化碳基光催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

随着世界化石燃料的大量消耗，人类活动向大气中排放的CO₂日益增多，极大的影响了自然界碳循环平衡，不仅加剧了全球气候变暖，还造成了严重的环境污染。目前，是世界各国努力发展的方向，利用太阳能将CO₂还原转化成为高附加值的碳氢化合物，如：H₂、CH₄、CO、CH₃OH和HCOOH等，既能实现太阳能的高效转化与存储，还能有效解决当前面临的能源与环境问题，是现阶段科学研究的前沿热点之一。迄今，各国学者研究开发了种类众多的高效半导体光催化材料，如：硫化物、氧化物、磷化物、氮化物以及卤氧化物等，该类光催化剂表现出较好的光催化CO₂还原性能。但是，这些半导体材料存在一些物理化学性质的缺陷，如材料价格昂贵、禁带宽度较大、光生电子-空穴对复合速率较快、单位面积活性位点较少等，导致半导体光催化剂很难有效的利用太阳光且光催化活性较低，进而限制其在大规模工业生产中的实际应用。因此，设计和开发高效、廉价和稳定的新型光催化剂是推动基于光催化技术实现太阳能高效转化为化学能（也即太阳燃料）规模化应用的至关重要的先决条件。

在众多的半导体光催化材料中，石墨相氮化碳（g-C₃N₄）是一类被广泛应用的非金属有机聚合物光催化材料，其主要通过C和N原子之间的sp²杂化形成σ键而构成六边形层状结构，且层间主要通过范德华力结合。该材料具有原料来源丰富、制备工艺简单、带隙可调、热稳定性好、环境友好和易于被修饰改性等众多优点。但是，受其C和N原子间大π键芳香共轭结构的离域性不强以及层间范德华力作用影响，该层状材料的面内和面间载流子迁移能力差、复合效率高，进而成为制约其光催化性能提高的一个重要因素。针对这一关键科学问题，国内外学者深入研究了光催化CO₂还原反应的催化机理以及影响催化剂活性的内在因素，已经探索出众多改进方法以强化光生载流子在g-C₃N₄中的迁移和分离。其中，合理设计并构筑高效宽光谱响应型异质结光催化材料，通过搭建载流子快速传输通道和暴露更多的催化活性位点可以实现光生空穴-电子对的快速分离、迁移并到达活性位点参与氧化还原反应，最终提高光催化剂的CO₂还原性能。综合当前国内外大量文献报道可知，负载贵金属（如：Au、Ag和Pt等）基助催化剂可以显著增强异质结光催化剂的光催化还原CO₂性能。但是不可避免的增加了催化剂的生产与使用成本，并不适用于规模化工业应用。

发明内容