本发明属于光催化材料领域，涉及一种铂原子修饰纳米片状氮化碳光催化剂及其制备方法。
背景技术
光催化技术是近三十年来发展起来的一种新兴技术，在能源和环境领域具有广阔的应用前景。氮化碳是光催化技术中应用最广的一类光催化材料，由于其化学性质稳定、光催化效率高、容易制备且无毒无害等特点，被认为是光催化技术中最具应用前景的材料。然而，传统的氮化碳光催化材料为块状黄色固体，比表面积小，不利于贵金属的负载，虽然禁带宽度较窄，有利于对可见光的吸收，但光生载流子负荷率较高，使光催化性能大大减少。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种铂原子修饰纳米片状氮化碳光催化剂及其制备方法，该光催化剂的铂原子高度分散在具有高比表面积的氮化碳表面，具有非常高的催化活性。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种铂原子修饰纳米片状氮化碳光催化剂的制备方法，包括步骤：
a、将尿素在马弗炉中在520～580℃下煅烧3～5h，降温到220～280℃后再升温到520～580℃下煅烧1.5～2.5h，得到的淡黄色粉末，研磨备用；
b、将步骤a得到的淡黄色粉末置于去离子水中，超声处理得到一个均匀的氮化碳/水混合液；
c、将步骤b中的氮化碳/水混合液中加入氯铂酸，使铂原子的负载量控制在0.1～0.3％；
d、将步骤c中加入氯铂酸的氮化碳/水混合液在200～400w可见光下搅拌，反应完全得到均匀的淡黄色悬浮液；
e、将步骤d得到的淡黄色悬浮液经离心和用去离子水水洗后，干燥得到铂原子修饰纳米片状氮化碳光催化剂。
优选地，在步骤a中，尿素在马弗炉中在550℃下煅烧4h，降温到250℃后再升温到550℃下煅烧2h。
优选地，在步骤a中，在马弗炉中以2.5～3.5℃/min的升温速率升温至520～580℃进行煅烧，以2.0～3.0℃/min的冷却速率冷却至220～280℃，再以2.0～3.0℃/min的升温速率升温至520～580℃进行煅烧。
优选地，在步骤b中，氮化碳/水混合液的质量浓度为0.125％～0.150％。
优选地，在步骤b中，超声功率为80～150w，超声时间为0.5～2h。
优选地，在步骤c中，加入的氯铂酸为氯铂酸水溶液，氯铂酸水溶液的质量浓度为0.1％～0.3％。
优选地，在步骤d中，光照时间为3～5h。
优选地，在步骤e中，干燥条件为50～70℃下真空干燥8～16h。
所述的方法制备的铂原子修饰纳米片状氮化碳光催化剂。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提供的一种铂原子修饰纳米片状氮化碳光催化剂的制备方法，以尿素为原料，在高温煅烧降温再煅烧后得到超薄二维氮化碳，有利于贵金属铂的负载，铂的负载量很低且高度分散在高比表面积的超薄二维氮化碳表面，基本呈单原子存在，其在氮化碳表面作为活性位点，加快电子传输速率，提高了催化效率；铂基本呈单原子存在，可以极大减少贵金属的使用量，节约成本。
本发明制备的铂原子修饰纳米片状氮化碳光催化剂，具有非常高的催化活性，其中，0.1％pt/g-c3n4在240min后的产氢量为428.4μmolmg-1pt，0.2％pt/g-c3n4在240min后的产氢量为209.3μmolmg-1pt，0.3％pt/g-c3n4在240min后的产氢量为164.09μmolmg-1pt，这远高于1％pt/g-c3n4(在240min后的产氢量为46.1μmolmg-1pt)、2％pt/g-c3n4(在240min后的产氢量为22.47μmolmg-1pt)和3％pt/g-c3n4(在240min后的产氢量为17.69μmolmg-1pt)。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
国内外很多研究者都在努力通过各种手段提高氮化碳材料的全光谱吸收性能，如金属和非金属元素掺杂、异质结半导体体材料的构建、光敏剂敏化等多种手段，而最近研究者发现通过高温煅烧降温再煅烧可以得到薄片的氮化碳材料，该薄片氮化碳具有大的比表面积和高的光催化活性。发明人认为，这种薄片氮化碳有可能适合作为单原子贵金属负载载体，能够提高贵金属的催化效果，并基于此开展了本发明的研究工作。
本发明目的在于，提供一种铂原子修饰纳米片状氮化碳光催化剂的制备方法，该方法以尿素原料，以氯铂酸为前驱体，采用高温煅烧及原位光还原法制备铂原子修饰纳米片状氮化碳的光催化剂。通过在氮化碳纳米片表面光还原单原子贵金属铂，增强氮化碳材料在可见光区域的光催化性能，同时可以通过调节氯铂酸的添加量，从而调节铂原子在氮化碳上的存在形态。
本发明实施例中使用的尿素是市售的阿拉丁品牌尿素，氯铂酸也为市售药剂，并通过高温煅烧和原位光还原方法，获得铂原子修饰纳米片状氮化碳的光催化剂，由此推断：当改变氯铂酸的用量，控制氯铂酸的负载量进而控制铂原子的形态，最终能实现本发明的最佳技术效果。
实施例1
a、取10g尿素放入50ml刚玉坩埚中，将坩埚放入马弗炉中以3℃/min的升温速率在550℃下高温煅烧4h，以2.5℃/min的速率冷却至250℃之后再以2.5℃/min速率升温至550℃，煅烧2h,最终得到淡黄色粉末，得到的淡黄色粉末在玛瑙研钵中研磨备用；
b、将步骤a得到的淡黄色粉末取0.5g置于400ml去离子水中，再将混合溶液在100w水浴超声锅中超声1.5h，得到一个均匀的氮化碳/水混合溶液；
c、将步骤b中的氮化碳/水溶液中加入0.1wt％的氯铂酸，使铂原子的负载量控制在0.1％(质量比)；
d、将步骤c中加入氯铂酸的氮化碳/水混合溶液在300w氙灯下磁力搅拌，通过给光源加上420nm滤波片作为可见光光源，持续搅拌、光照4h得到均匀的淡黄色悬浮液；
e、将步骤d得到的淡黄色悬浮液经离心、用去离子水水洗2次，在60℃下真空干燥12h得到单原子0.1％pt/g-c3n4光催化剂。
实施例2
a、取10g尿素放入50ml刚玉坩埚中，将坩埚放入马弗炉中以3.5℃/min的升温速率在520℃下高温煅烧5h，以3.0℃/min的速率冷却至280℃之后再以2.0℃/min速率升温至580℃，煅烧1.5h，最终得到淡黄色粉末，得到的淡黄色粉末在玛瑙研钵中研磨备用；
b、将步骤a得到的淡黄色粉末取0.5g置于400ml去离子水中，再将混合溶液在150w水浴超声锅中超声1h，得到一个均匀的氮化碳/水混合溶液；
c、将步骤b中的氮化碳/水溶液中加入0.2wt％的氯铂酸，使铂原子的负载量控制在0.2％(质量比)；
d、将步骤c中加入氯铂酸的氮化碳/水混合溶液在200w氙灯下磁力搅拌，通过给光源加上420nm滤波片作为可见光光源，持续搅拌、光照5h得到均匀的淡黄色悬浮液；
e、将步骤d得到的淡黄色悬浮液经离心、用去离子水水洗2次，在70℃下真空干燥8h得到单原子0.2％pt/g-c3n4光催化剂。
实施例3
a、取5g尿素放入50ml刚玉坩埚中，将坩埚放入马弗炉中以2.5℃/min的升温速率在580℃下高温煅烧3h，以2.0℃/min的速率冷却至220℃之后再以3.0℃/min速率升温至520℃，煅烧2.5h,最终得到淡黄色粉末，得到的淡黄色粉末在玛瑙研钵中研磨备用；
b、将步骤a得到的淡黄色粉末取0.3g置于200ml去离子水中，再将混合溶液在80w水浴超声锅中超声0.5h，得到一个均匀的氮化碳/水混合溶液；
c、将步骤b中的氮化碳/水溶液中加入0.3wt％的氯铂酸，使铂原子的负载量控制在0.3％；
d、将步骤c中加入氯铂酸的氮化碳/水混合溶液在400w氙灯下磁力搅拌，通过给光源加上420nm滤波片作为可见光光源，持续搅拌、光照3h得到均匀的淡黄色悬浮液；
e、将步骤d得到的淡黄色悬浮液经离心、用去离子水水洗2次，在50℃下真空干燥16h得到单原子0.3％pt/g-c3n4光催化剂。
实施例4
a、取10g尿素放入50ml刚玉坩埚中，将坩埚放入马弗炉中以3℃/min的升温速率在550℃下高温煅烧4h，以2.5℃/min的速率冷却至250℃之后再以2.5℃/min速率升温至550℃，煅烧2h,最终得到淡黄色粉末，得到的淡黄色粉末在玛瑙研钵中研磨备用；
b、将步骤a得到的淡黄色粉末取0.3g置于200ml去离子水中，再将混合溶液在100w水浴超声锅中超声1h，得到一个均匀的氮化碳/水混合溶液；
c、将步骤b中的氮化碳/水溶液中加入1wt％的氯铂酸，使铂原子的负载量控制在1％；
d、将步骤c中加入氯铂酸的氮化碳/水混合溶液在300w氙灯下磁力搅拌，通过给光源加上420nm滤波片作为可见光光源，持续搅拌、光照2h得到均匀的淡黄色悬浮液；
e、将步骤d得到的淡黄色悬浮液经离心、用去离子水水洗2次，在60℃下真空干燥12h得到单原子1％pt/g-c3n4光催化剂。
实施例5
a、取10g尿素放入50ml刚玉坩埚中，将坩埚放入马弗炉中以3℃/min的升温速率在550℃下高温煅烧4h，以2.5℃/min的速率冷却至250℃之后再以2.5℃/min速率升温至550℃，煅烧2h,最终得到淡黄色粉末，得到的淡黄色粉末在玛瑙研钵中研磨备用；
b、将步骤a得到的淡黄色粉末取0.5g置于400ml去离子水中，再将混合溶液在100w水浴超声锅中超声1h，得到一个均匀的氮化碳/水混合溶液；
c、将步骤b中的氮化碳/水溶液中加入2wt％的氯铂酸，使铂原子的负载量控制在2％；
d、将步骤c中加入氯铂酸的氮化碳/水混合溶液在300w氙灯下磁力搅拌，通过给光源加上420nm滤波片作为可见光光源，持续搅拌、光照4h得到均匀的淡黄色悬浮液；
e、将步骤d得到的淡黄色悬浮液经离心、用去离子水水洗2次，在60℃下真空干燥12h得到单原子2％pt/g-c3n4光催化剂。
实施例6
a、取10g尿素放入50ml刚玉坩埚中，将坩埚放入马弗炉中以3℃/min的升温速率在550℃下高温煅烧4h，以2.5℃/min的速率冷却至250℃之后再以2.5℃/min速率升温至550℃，煅烧2h,最终得到淡黄色粉末，得到的淡黄色粉末在玛瑙研钵中研磨备用；
b、将步骤a得到的淡黄色粉末取0.5g置于400ml去离子水中，再将混合溶液在100w水浴超声锅中超声1h，得到一个均匀的氮化碳/水混合溶液；
c、将步骤b中的氮化碳/水溶液中加入3wt％的氯铂酸，使铂原子的负载量控制在3wt％；
d、将步骤c中加入氯铂酸的氮化碳/水混合溶液在300w氙灯下磁力搅拌，通过给光源加上420nm滤波片作为可见光光源，持续搅拌、光照4h得到均匀的淡黄色悬浮液；
e、将步骤d得到的淡黄色悬浮液经离心、用去离子水水洗2次，在60℃下真空干燥12h得到单原子3％pt/g-c3n4光催化剂。
应用实例1：
a、取30mg负载量为0.1％的pt/g-c3n4光催化剂进行产氢实验；
b、将步骤a称量的光催化剂放入90ml去离子水中，再加入10ml甲醇作为牺牲剂；
c、将步骤b得到的混合溶液放入100w水浴超声锅中，超声30min；
d、将步骤c超声后的溶液倒入与光催化装置连接的石英反应瓶中，进行抽真空处理；
e、步骤d中的光催化装置与气相色谱连接，可以在线检测氢气的产生量，最终得出0.1％pt/g-c3n4在240min后的产氢量为428.4μmolmg-1pt。
应用实例2：
a、取30mg负载量为0.2％的pt/g-c3n4光催化剂进行产氢实验；
b、将步骤a称量的光催化剂放入90ml去离子水中，再加入10ml甲醇作为牺牲剂；
c、将步骤b得到的混合溶液放入100w水浴超声锅中，超声30min；
d、将步骤c超声后的溶液倒入与光催化装置连接的石英反应瓶中，进行抽真空处理；
e、步骤d中的光催化装置与气相色谱连接，可以在线检测氢气的产生量，最终得出0.2％pt/g-c3n4在240min后的产氢量为209.3μmolmg-1pt。
应用实例3：
a、取30mg负载量为0.3％的pt/g-c3n4光催化剂进行产氢实验；
b、将步骤a称量的光催化剂放入90ml去离子水中，再加入10ml甲醇作为牺牲剂；
c、将步骤b得到的混合溶液放入100w水浴超声锅中，超声30min；
d、将步骤c超声后的溶液倒入与光催化装置连接的石英反应瓶中，进行抽真空处理；
e、步骤d中的光催化装置与气相色谱连接，可以在线检测氢气的产生量，最终得出0.3％pt/g-c3n4在240min后的产氢量为164.09μmolmg-1pt。
应用实例4：
a、取30mg负载量为1％的pt/g-c3n4光催化剂进行产氢实验；
b、将步骤a称量的光催化剂放入90ml去离子水中，再加入10ml甲醇作为牺牲剂；
c、将步骤b得到的混合溶液放入100w水浴超声锅中，超声30min；
d、将步骤c超声后的溶液倒入与光催化装置连接的石英反应瓶中，进行抽真空处理；
e、步骤d中的光催化装置与气相色谱连接，可以在线检测氢气的产生量，最终得出1％pt/g-c3n4在240min后的产氢量为46.1μmolmg-1pt。
应用实例5：
a、取30mg负载量为2％的pt/g-c3n4光催化剂进行产氢实验；
b、将步骤a称量的光催化剂放入90ml去离子水中，再加入10ml甲醇作为牺牲剂；
c、将步骤b得到的混合溶液放入100w水浴超声锅中，超声30min；
d、将步骤c超声后的溶液倒入与光催化装置连接的石英反应瓶中，进行抽真空处理；
e、步骤d中的光催化装置与气相色谱连接，可以在线检测氢气的产生量，最终得出2％pt/g-c3n4在240min后的产氢量为22.47μmolmg-1pt。
应用实例6：
a、取30mg负载量为3％的pt/g-c3n4光催化剂进行产氢实验；
b、将步骤a称量的光催化剂放入90ml去离子水中，再加入10ml甲醇作为牺牲剂；
c、将步骤b得到的混合溶液放入100w水浴超声锅中，超声30min；
d、将步骤c超声后的溶液倒入与光催化装置连接的石英反应瓶中，进行抽真空处理；
e、步骤d中的光催化装置与气相色谱连接，可以在线检测氢气的产生量，最终得出3％pt/g-c3n4在240min后的产氢量为17.69μmolmg-1pt。