一种氮掺杂石墨烯量子点/类石墨烯相氮化碳复合材料的合成及应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种氮掺杂石墨烯量子点/类石墨烯相氮化碳复合材料的合成及光催化分解水产氢性能研究和应用。
【背景技术】
[0002]21世纪是高新科技发展的时代，新材料、信息和生物技术的发展是高新技术的代表。光催化起源于1972年报道的Ti02作为电极材料进行光照可以分解水产生氢气的报道，因此人们开始关注这项技术一光触媒。和传统电解、物理或化学的方法相比，光催化分解的方法简便而原料廉价，但催化效率相对较低，因此寻找合成效率高、光催化性能好的催化剂，成为该领域的研究热点。而成功实现光催化分解水的关键是寻找合适的催化剂，目前使用最广泛的是半导体光催化剂，但催化效率偏低，为进一步提高水的分解率，围绕传统催化剂的改性和新型催化剂的研制，广大研究工作者开展了大量的研究工作。
[0003]现阶段，人们开发和研制的半导体光催化材料大多只能吸收仅占抵达地球的太阳能谱中不足5 %的紫外光，太阳能利用率较低。因此，寻找并合成高效、稳定、低成本的可见光催化材料是太阳能分解水制氢研究的关键。
[0004]近年来，具有无机非金属结构的复合材料的光催化活性引起研究工作者们的注意。研究发现，无机非金属结构半导体材料有着特殊的能带结构和载流子输送特性，在光催化反应中能有效抑制光生载流子的复合，从而提尚量子效率。
[0005]类石墨结构(层状石墨相)氮化碳(g_C3N4)具有与石墨烯类似的特殊半导体光学特性，作为可见光响应的催化剂被应用于光催化反应中，但其光催化活性还有待进一步提高。氮掺杂石墨烯量子点作为典型的半导体光催化材料，它可以作为一种稳定有效的光敏化剂和助催化剂，具有对光催化分解水产氢有着良好的辅助催化作用，但缺陷是光稳定性稍差。因此我们拟将氮掺杂石墨烯量子点与类石墨烯氮化碳进行负载，从而形成氮掺杂石墨烯量子点/类石墨烯相氮化碳的异质结，实现有效的电子传导及光生载流子的有效分尚，提尚材料的光催化广氣效率和稳定性，为光分解水的催化材料提供新材料的源泉和理论基础。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提供一种新型光催化剂及其制备方法，为解决能源问题提供了新材料。本发明的光催化剂能将水分解成氢气向绿色化学能源进行转化，这不仅有利于缓解能源危机，同时为环境治理提供了新的思路。本发明的材料制备操作简单、生产成本低廉、合成的产率较高，纯度高且重复性好，适合扩大化生产的要求。
[0007]本发明是这样来实现的，一种氮掺杂石墨烯量子点/类石墨烯相氮化碳复合材料，其特征是:由氮掺杂石墨烯量子点负载在类石墨烯相氮化碳上而形成的复合材料；在模拟太阳光下，该复合材料具有高效稳定的光催化分解水产生氢气性能；当氮掺杂石墨烯量子点的负载量为15% (质量比)时，表达式为15%N-GQDs/g-C3N4，简化为15N-CNU，该材料的催化效果最佳，产氢速率可以达到2.39 mmol -h 'g \产氢速率比纯的g_C3N4提高了 2.36倍。
[0008]本发明所述的光催化剂的制备方法，其特征在于方法步骤为:
1、氮掺杂石墨烯量子点的合成为:取0.50-0.60克柠檬酸和0.45-0.65克尿素溶于10~15毫升的去离子水中，充分溶解后加入到50毫升反应釜中，置于160~180°C的鼓风干燥箱中恒温8~12小时，冷却至常温即可得到分散均匀的氮掺杂石墨烯量子点溶液。
[0009]2、一种氮掺杂石墨烯量子点/类石墨烯氮化碳复合光催剂的合成方法为:
(1)称取6.3-6.8克尿素加入到容量为15毫升的瓷坩祸中，并放入550°C ~600°C的马弗炉中恒温2~4小时，得到淡黄色的类石墨烯相氮化碳。
[0010](2)取1~3毫升氮掺杂石墨烯量子点分散液于20~50毫升去离子水中，超声后得到溶液A ;
(3)取0.1-0.5克步骤(1)得到的类石墨烯相氮化碳溶于10~20毫升水中，超声1~5小时，然后将溶液A缓慢加入，常温条件下搅拌15~20小时，得到浑浊液B ;
(4)然后将浑浊液B进行过滤、洗涤和干燥，得到目标催化剂。
[0011]本发明的优点是:1、本发明的催化剂是完全由非金属元素组成的催化剂，具有环境友好和低成本的特点。2、氮掺杂石墨烯量子点的掺杂拓展了类石墨烯相氮化碳的光响应范围，增加了在可见光下的吸收；3、同时利用了氮掺杂石墨烯量子点的光敏化作用与超强电子传导能力，不仅抑制了光生电子与空穴的复合，同时提高了光的利用率；4、本发明的原料廉价易得，合成方法简单，合成产率及纯度较高，实验重复性好，适合扩大化生产的要求。
【附图说明】
[0012]图1为g_C3N4以及与负载3%、5%、10%、15%、20%不同比例氮掺杂石墨烯量子点的g-C3N4X 射线粉末衍射对比图。(图中 CN-U，3N-CNU，5N-CNU，10N-CNU，15N-CNU，20N-CNU 分别代表纯的g_C3N4以及负载3%、5%、10%、15%、20%不同比例的氮掺杂石墨烯量子点的g_C 3N4)。
[0013]图2为负载15%的氮掺杂石墨烯量子点异质结透射电镜图。(图中CN-U和15N-CNU分别代表纯的g_C3N4以及负载15%的氮掺杂石墨烯量子点的g_C3N4)。
[0014]图3为g_C3N4以及与负载3%、5%、10%、15%、20%不同比例的氮掺杂石墨烯量子点异质结的红外光谱对比图。(图中CN-U，3N-CNU，5N-CNU，10N-CNU，15N-CNU，20N-CNU分别代表纯的g_C3N4以及负载3%、5%、10%、15%、20%不同比例的氮掺杂石墨烯量子点的g_C 3N4)。
[0015]图4为g_C3N4负载15%氮掺杂石墨烯量子点异质结的XPS图。(图中CN-U和15N-CNU分别代表纯的g_C3N4以及负载15%氮掺杂石墨烯量子点的g_C 3N4)。
[0016]图5为g_C3N4以及与负载3%、5%、10%、15%、20%不同比例的氮掺杂石墨烯量子点异质结的紫外-可见漫反射图。(图中CN-U，3N-CNU，5N-CNU，10N-CNU，15N-CNU，20N-CNU分别代表纯的g_C3N4以及负载3%、5%、10%、15%、20%不同比例的氮掺杂石墨烯量子点的g_C 3N4)。
[0017]图6为g_C3N4以及负载15%氮掺杂石墨烯量子点异质结的荧光图。(图中CN-U和15N-CNU分别代表纯的g_C3N4以及负载15%的氮掺杂石墨烯量子点的g_C 3N4)。
[0018]图7为g_C3N4以及负载15%氮掺杂石墨烯量子点异质结的光电流图。(图中CN-U和15N-CNU分别代表纯的g_C3N4以及负载15%的氮掺杂石墨烯量子点的g_C3N4)。
[0019]图8为为g_C3N4以及与负载3%、5%、10%、15%、20%不同比例氮掺杂石墨烯量子点异质结在模拟太阳光的诱导下，光催化产氢的效果图。(图中CN-U，3N-CNU，5N-CNU，10N-CNU，15N-CNU，20N-CNU分别代表纯的g