一种富含N缺陷的原子层级的超薄g-C3N4及其合成方法与应用

本发明属于催化剂材料领域，具体涉及一种富含n缺陷的原子层级的超薄g-c3n4及其合成方法与应用。

背景技术：

1、随着工业的不断发展，人类对能源的需求越来越大，随之而来的是化石能源的消耗越来越大，现代化工业社会过多使用煤碳、石油和天然气，随之而来的是大气中的二氧化碳量与日俱增。二氧化碳气体具有吸热和隔热的功能，它在大气中增多的结果是形成一种无形的玻璃罩，使太阳辐射到地球上的热量无法向外层空间发散，其结果是地球表面变热起来。空气中二氧化碳含量的增长，造成地球气温发生了改变，是温室效应的主要原因之一，温室效应已经成为了一个严重的全球性环境问题。温室效应会带来很多的危害如：地球上的病虫害增加；海平面上升；全球变化异常，各种极端天气越来越多，气候反常，海洋风暴增多。但与此同时，二氧化碳也是一种潜在的碳资源，有着较好的应用前景，特别是新型光催化技术领域取得的一系列成就。利用二氧化碳可直接还原合成甲烷、甲醇、甲醛、甲酸、尿素、低碳烃类、碳酸酯及聚合物等有用的化工产品。因此，合理开发利用二氧化碳，不仅可节约石油、天然气和煤等化石资源，而且能够降低二氧化碳造成的温室效应，具有明显的经济效益和环境效益。

2、石墨化氮化碳(g-c3n4)由于其合成的可调性和结构的灵活性，已成为最具吸引力的co2光还原材料之一。然而，原始g-c3n4的可见光吸收范围有限，比表面积低，光激发载流子的复合速率高，导致光催化活性低。虽然已经有一些方方法来提高g-c3n4对co2的活化能力，但效果并不理想。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种富含n缺陷的原子层级的超薄g-c3n4及其合成方法与应用，以解决目前比表面积低、光催化活性低等问题。

2、一种富含n缺陷的原子层级的超薄g-c3n4的合成方法，包括以下步骤：

3、（1）将尿素在ar气氛下于500-600℃下煅烧2-4h，得到体相g-c3n4；

4、（2）将体相g-c3n4加入有hno3水溶液的容器中，在80-100℃水浴下连续磁力搅拌，然后用去离子水和乙醇多次洗涤纯化，直至ph值为中性；

5、（3）将步骤（2）洗涤纯化后的样品在ar气氛中550-650℃煅烧2-5 h，得到富含n缺陷的原子层薄厚的g-c3n4。

6、进一步的，步骤（2）中hno3水溶液的ph值为1。

7、进一步的，步骤（2）中每毫升hno3水溶液中加入体相g-c3n4加入量为80-120mg。

8、进一步的，步骤（2）中磁力搅拌的速度为100-250 rpm。

9、进一步的，步骤（3）中样品在ar气氛中煅烧时，烧结温度为650℃，升温速率为5℃/min。

10、上述的方法合成的富含n缺陷的原子层级的超薄g-c3n4，能产生丰富的活性位点，实现了高效的二氧化碳转化，同时生成高附加值的乙烷产物。

11、进一步的，所述的富含n缺陷的原子层级的超薄g-c3n4厚度为0.5-0.6nm。

12、上述的富含n缺陷的原子层级的超薄g-c3n4的应用，作为co2光还原材料。

13、与现有技术相比，本发明具有以下优势：

14、（1）通过热硝酸辅助剥离及ar高温煅烧将体相g-c3n4剥离成原子薄层，合成具有接近单个原子层厚度的富含丰富n空位的超薄g-c3n4光催化剂，结构更薄，多孔性更强，能够有效的还原二氧化碳，具有合成方法简单容易、还原效果大幅度提高等优点。

15、（2）本发明在前驱体尿素的热聚合过程中利用ar和高温破坏g-c3n4的结晶过程选择性地原位引入氮缺陷，为二氧化碳光还原提供了丰富而均匀的n空位反应活性位点，极大地抑制了电子重组，并为乙烷的产率创造良好的c-c耦合条件。

16、（3）本发明能够将co2转化为一种新的、更高经济价值的产物c2h6，具有有较好的应用前景。

技术特征：

1.一种富含n缺陷的原子层级的超薄g-c3n4的合成方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的合成方法，其特征在于，步骤（2）中hno3水溶液的ph值为1。

3.根据权利要求1所述的合成方法，其特征在于，步骤（2）中每毫升hno3水溶液中加入体相g-c3n4加入量为80-120mg。

4.根据权利要求1所述的合成方法，其特征在于，步骤（2）中磁力搅拌的速度为100-250rpm。

5.根据权利要求1所述的合成方法，其特征在于，步骤（3）中样品在ar气氛中煅烧时，烧结温度为650℃，升温速率为5℃/min。

6.根据权利要求1-5任一项所述的方法合成的富含n缺陷的原子层级的超薄g-c3n4。

7.根据权利要求6所述的富含n缺陷的原子层级的超薄g-c3n4，其特征在于，所述超薄g-c3n4厚度为0.5-0.6nm。

8.根据权利要求6所述的富含n缺陷的原子层级的超薄g-c3n4的应用，其特征在于，作为co2光还原材料。

技术总结
本发明涉及一种富含N缺陷的原子层级的超薄g‑C<subgt;3</subgt;N<subgt;4</subgt;及其合成方法与应用，制备方法包括：（1）将尿素在Ar气氛下于500‑600℃下煅烧2‑4h；（2）加入有HNO<subgt;3</subgt;水溶液的容器中，在80‑100℃水浴下连续磁力搅拌，然后用去离子水和乙醇多次洗涤纯化，直至pH值为中性；（3）在Ar气氛中550‑650℃煅烧2‑5 h。本发明通过热硝酸辅助剥离及Ar高温煅烧将体相g‑C<subgt;3</subgt;N<subgt;4</subgt;剥离成原子薄层，合成具有接近单个原子层厚度的富含丰富N空位的超薄g‑C<subgt;3</subgt;N<subgt;4</subgt;光催化剂，能够更加高效的还原二氧化碳。在前驱体尿素的热聚合过程中利用Ar和高温破坏g‑C<subgt;3</subgt;N<subgt;4</subgt;的结晶过程选择性地原位引入氮缺陷，极大地抑制了电子重组，有利于CO<subgt;2</subgt;转化为一种新的、更高经济价值的产物C<subgt;2</subgt;H<subgt;6</subgt;。

技术研发人员：刘志,李阳,叶银月
受保护的技术使用者：汕头大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/29