[发明专利]一种三维多孔氮化碳基Zn单原子光催化剂、制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种三维多孔氮化碳基Zn单原子光催化剂、制备方法和应用，将碳酸锌与三聚氰胺按比例混合后再煅烧，获得氧化锌与蜜勒胺单体的混合物，然后置于过量的盐酸水溶液中搅拌，此时所有氧化锌会溶解产生Zn²⁺，在此液相环境中Zn²⁺会与蜜勒胺中的吡啶氮充分配位，形成大量的Zn‑N键，然后过滤水洗至上清液为中性，冷冻干燥后以500～600℃的煅烧温度在惰性气氛下煅烧2～4h，整个制备过程会释放大量的CO₂和NH₃，同时ZnO会充当硬模板，最终制备的三维多孔氮化碳基Zn单原子光催化剂具有较大的比表面积，光催化分解水性能优异，分散性好，可稳定储存。本发明的整个制备过程操作简单，可控性强，重复性好，原料廉价且来源广泛，绿色安全环保，适合大规模生产。

技术领域

本发明属于单原子材料领域，具体涉及一种三维多孔氮化碳基Zn单原子光催化剂、制备方法和应用。

背景技术

金属单原子催化剂兼具优异的催化性能与近100％的原子利用率，在多个催化领域(热催化，电催化，光催化等)受到了持续关注与广泛研究。单原子具有极小的物理尺寸，因而其表面能极大。因此，一个能与金属单原子发生化学相互作用从而有效分散金属单原子的载体材料是不可或缺的，这不仅可以保证金属单原子的稳定，还可以抑制金属单原子的团聚。聚合物氮化碳(PCN)的三均三嗪结构单元中具有丰富的吡啶氮原子，其带有大量的未成对电子，因此PCN能够通过形成强N-金属键来为金属原子提供充足的锚定位点，因此PCN被认为是一种理想的金属单原子载体材料。与之伴随地，PCN的物理化学性质也会随着金属单原子的引入而发生变化。于是，得益于PCN良好调控的电子结构和金属单原子活性位点优异的催化性能，PCN基金属单原子催化剂中的电荷传输与表面反应动力学均得到了大幅加速，因而其在太阳能光催化分解水领域展示出了巨大的潜力。截至目前，已经成功开发了多种PCN基金属单原子光催化剂，如Pt/PCN(Angew.Chem.Int.Ed.2020,59,6224-6229)，Pd/PCN(ACS Catal.2022,12,5077-5093)，Ag/PCN(Angew.Chem.Int.Ed.2020,59,23112-23116)，Co/PCN(Sci.Bull.2022,67,520-528)等。这些单原子光催化剂均取得了一定的分解水能力。其中研究最多的当属贵金属单原子，但其制备成本往往较高。非贵金属单原子的研究主要集中在Co，其他用于光催化分解水的PCN基金属单原子光催化剂的研究还相对较少。为了早日实现高效的太阳能-氢能转化，更多新颖的金属单原子光催化剂急需被开发，以向光催化剂的设计提供更多更有效的理论支持。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三维多孔氮化碳基Zn单原子光催化剂、制备方法和应用，以克服现有技术的不足。

一种三维多孔氮化碳基Zn单原子光催化剂的制备方法，包括以下步骤：

S1，将碳酸锌与三聚氰胺按照质量比(0.5～2):1混合均匀得到混合物A；

S2，将混合物A在惰性气体氛围下进行煅烧获得固体B；

S3，将固体B置于盐酸水溶液中搅拌6～12h，然后依次经过过滤水洗、冷冻干燥后，得到固体C；

S4，将固体C在惰性气体氛围下进行煅烧即可获得目标产物三维多孔氮化碳基Zn单原子光催化剂。

优选的，S1中，将碳酸锌与三聚氰胺按照质量比(0.5～2):1置于研钵中，通过研磨搅拌混合10～30min得到均匀的混合物A。

优选的，将混合物A在惰性气体氛围下，以5～10℃/min的升温速率从室温升至350～450℃的煅烧温度，再在350～450℃的煅烧温度下煅烧2～4h，然后自然冷却至室温得到固体B。

优选的，S3中所用的盐酸水溶液浓度为0.5～1.5mol/L，加入的盐酸水溶液中H⁺摩尔量为S1中所用碳酸锌摩尔量的2.1～3倍。