[发明专利]一种S型晶化氮化碳同质结光催化材料的制备与应用

说明书

本发明属于半导体光催化材料制备领域，特别涉及一种S型晶化氮化碳同质结光催化材料的制备与光催化CO₂还原应用。本发明以三聚氰胺、氯化锂、以及氯化钾为原料，结合异步结晶和静电自组装策略制备出S型晶化氮化碳同质结光催化材料并探究了其在光催化CO₂还原领域的应用。该复合材料具有1D/2D面对面接触的结构，包含三嗪和七嗪两种晶相，两种晶相比例可精确调控。在三嗪/七嗪两种晶相的界面间存在界面电场，促使光生电子按照S型转移。S型同质结可通过多种表征证明，并且该S型同质结不受两种晶相比例的影响。在光催化二氧化碳还原应用中，在可见光的照射下，其CO生成速率高达19.38μmol g^‑1h^‑1，并且具有81.8μmol g^‑1h^‑1的电子消耗速率。

技术领域

本发明属于半导体光催化材料制备领域，特别涉及一种S型晶化氮化碳同质结光催化材料的制备与光催化CO₂还原应用。

技术背景

光催化二氧化碳还原以产生甲烷等燃料气体是实现能源转换的有效措施之一。然而光催化反应的顺利进行以有效捕获载流子为前提。当光激发半导体产生电子空穴对时，由于库伦力的吸引，电子和空穴极易复合，从而湮灭，导致现在的单组分半导体光催化剂普遍存在光生载流子易复合问题，催化效率并不高。鉴于此，调控半导体光催化剂中载流子的时空分离对于增强光催化剂的催化性能至关重要。

复合半导体光催化剂系统具有一个界面电场，能提供额外的驱动力来抵消光生电荷载体上库仑力的束缚，从而有效地解决了电荷载体容易复合的问题。一般地，复合半导体光催化系统主要根据电荷转移模式分为Ⅱ型和S型，广泛用于电荷转移动力学的调节。比Ⅱ型电子转移更先进，S型(直接Z型)电子转移保留了双组分半导体中较高的氧化还原能力，并能够通过界面电场力持久有效地分离光生电荷载流子，近年来取得了进一步发展。迄今为止，设计和操纵电子以遵循 S型转移构成了一种吸引人的电荷分离方法。

晶化氮化碳同质结由于较少的晶体缺陷、良好的晶格匹配和电荷分离效率，是一种潜力巨大的半导体催化剂。由于传统的的合成方法涉及三嗪和七嗪两种晶相的同时结晶，因此所得产物往往以分子内同质结的形式存在，据已有文献报道，合成的晶化氮化碳同质结都为Ⅱ型。目前为止，构筑三嗪/七嗪基晶化氮化碳S 型同质结光催化材料尚未有文献报道。有文献报道了S型晶化氮化碳同质结/异质结的制备，但是构成的同质结/异质结是在同一种晶相间(七嗪基)形成^1,2，与本发明不存在类似之处。

发明内容

本发明以三聚氰胺、氯化锂、以及氯化钾为原料，结合异步结晶和静电自组装策略制备出三嗪/七嗪基晶化氮化碳S型同质结光催化材料并探究了其在光催化CO₂还原领域的应用。该复合材料具有1D/2D面对面接触的结构，包含三嗪和七嗪两种晶相，两种晶相比例可精确调控。在三嗪/七嗪两种晶相的界面间存在界面电场，促使光生电子按照S型转移。S型同质结可通过多种表征证明，并且该S型同质结不受两种晶相比例的影响。在光催化二氧化碳还原应用中，在可见光的照射下，其CO生成速率高达19.38μmol g^-1h^-1，并且具有81.8的电子消耗速率。

本发明目的在于提供一种S型晶化氮化碳同质结光催化材料的制备方法与光催化CO₂还原应用，且三嗪，七嗪两种晶相的比例可精确调控。采用如下技术方案：

(1)一定比例的三聚氰胺，氯化锂，氯化钾，均匀研磨，并在氮气氛围中煅烧，煅烧后的块状固体用沸水洗涤，抽滤，干燥。合成单独的三嗪晶化氮化碳；

(2)一定量的三聚氰胺煅烧形成体相氮化碳，得到的体相氮化碳与一定比例的氯化锂，氯化钾均匀研磨并在氮气氛围下煅烧，煅烧后的块状固体用沸水洗涤，抽滤，干燥。合成单独的七嗪晶化氮化碳；