一种金属掺杂黑色非晶态氮化碳光催化材料的制备方法与流程

本发明涉及氮化碳材料制备技术领域，尤其涉及一种用于光催化的金属掺杂黑色非晶态氮化碳光催化材料的制备方法。

背景技术

光催化技术可以将清洁可再生的太阳能转换成化学能，实现零碳排放，不仅可以有效净化污染物，同时可以缓解能源危机，因此，光催化技术被认为是未来世界发展的最理想的技术之一。为了实现这一目的，制备高活性的光催化材料便成为了亟待解决的问题。石墨相氮化碳是一种类石墨烯的非金属光催化材料，主要由氮原子和碳原子构成，具有制备过程简单，能带结构可调，优异的耐热和耐化学腐蚀性，是一种理想的光催化材料。但是，石墨相氮化碳对可见光的响应较弱，无法实现高效的可见光催化，因此制备具有强可见光响应的氮化碳材料是目前研究的重点。理论和实验都已经证明非晶态的半导体材料由于带尾的存在，通常具有较窄的带隙，这可以扩宽可见光的吸收，从而实现高效的可见光催化性能。但是，非晶态材料缺乏长程有序的结构，这导致了光生电子-空穴对复合率高，光催化性能差。

最近单原子催化材料受到了广泛的关注，这是由于单原子催化材料可以最大限度利用金属原子的活性位点，同时可以提供电子从光催化材料到金属原子之间传递的通道。值得一提的是，单原子与载体之间强的相互作用力，可以引起载体结构的改变甚至相的转变。这样，如果单原子嵌入石墨相氮化碳材料的结构内部，就可能引起石墨相氮化碳材料从晶态到非晶态的转变，这样非晶态的氮化碳可以是实现高效的可见光吸收，同时单原子和氮化碳材料之间的强的相互作用提供了新的载流子通道，实现高效的电子-空穴对的分离。但是，目前仍然没有相关的报道。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决上述现有技术存在的空缺，提供一种简单的条件温和的用于高效可见光催化的金属掺杂黑色非晶态氮化碳材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将富氮有机物与金属盐以一定比例混合；

(2)在管式炉中高温烧结后自然冷却至室温得到金属掺杂黑色非晶态氮化碳光催化材料。

进一步地，如上所述的光催化材料的制备方法，在步骤(1)中，所述的富氮有机物包括但不限于不限于三聚氰胺、二氢铵、单氢胺、硫脲和尿素等。

进一步地，如上所述的光催化材料的制备方法，步骤(1)中，所述的金属盐包括但不限于各种碱金属盐，碱土金属盐，过渡金属盐等。

进一步地，如上所述的光催化材料的制备方法，步骤(2)中，所述的三聚氰胺和金属盐的质量比为100:1～100:50。

进一步地，如上所述的光催化材料的制备方法，步骤(2)中，所述的升温速率为1-50℃/min。

进一步地，如上所述的光催化材料的制备方法，步骤(2)中，无保护气体，或者惰性保护气体。

进一步地，如上所述的光催化材料的制备方法，步骤(2)中，所述的温度为400-700℃。

进一步地，如上所述的光催化材料的制备方法，步骤(2)中，所述保温时间为1-20小时。

本发明利用单原子金属诱导石墨相氮化碳非晶转变，通过高温固相法成功合成了高活性全可见光响应的金属掺杂黑色非晶态氮化碳材料，填补了相应领域的空白。这种方法不仅相对于传统方法操作简单，成本低廉，有利于大规模商业化应用，同时合成的材料对全可见光有响应以及光生电子空穴对快速分离，在光催化领域具有重要的应用价值。

附图说明

图1是本发明实施例1制备的金属掺杂黑色非晶态氮化碳材料的实物图；

图2是本发明实施例1制备的金属掺杂黑色非晶态氮化碳材料的x射线衍射图；

图3是本发明实施例1制备的金属掺杂黑色非晶态氮化碳材料的傅里叶变换红外光谱图；

图4是本发明实施例1制备的金属掺杂黑色非晶态氮化碳材料的原子力显微镜图；

图5是本发明实施例1制备的金属掺杂黑色非晶态氮化碳材料的高分辨透射电镜图；

图6是本发明实施例1制备的金属掺杂黑色非晶态氮化碳材料的紫外-可见吸收光谱图；

图7是本发明实施例1制备的金属掺杂黑色非晶态氮化碳材料的荧光光谱图；

图8是本发明实施例1制备的金属掺杂黑色非晶态氮化碳材料在可见光下还原co2活性图；

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

(1)将三聚氰胺与钼酸铵以100：5.5的比例混合；

(2)将上述混合物在管式炉中以10℃/min升温到550℃保温4小时后自然冷却至室温得到金属掺杂黑色非晶态氮化碳光催化材料。

实施例2：

(1)将三聚氰胺与钨酸钠以100：10.4的比例混合；

(2)将上述混合物在管式炉中以10℃/min升温到550℃保温4小时后自然冷却至室温得到金属掺杂黑色非晶态氮化碳光催化材料。

实施例3：

(1)将三聚氰胺与乙酸镍以100：7.9的比例混合；

(2)将上述混合物在管式炉中以10℃/min升温到550℃保温4小时后自然冷却至室温得到金属掺杂黑色非晶态氮化碳光催化材料。

实施例4：

(1)将三聚氰胺与硝酸钾以100：3.2的比例混合；

(2)将上述混合物在管式炉中以10℃/min升温到550℃保温4小时后自然冷却至室温得到金属掺杂黑色非晶态氮化碳光催化材料。

图1为实施例1制备的金属掺杂黑色非晶态氮化碳与普通石墨相氮化碳的对比图，从图中可以看出，普通石墨相氮化碳材料为淡黄色，而合成的非晶态氮化碳材料为黑色，证明了合成的材料为黑色。

图2为实施例1制备的金属掺杂黑色非晶态氮化碳的x射线衍射图。普通的石墨相氮化碳材料在13.1°和27.4°处有两个衍射峰，代表了石墨相氮化碳材料的(100)和(002)晶面，而合成的黑色非晶态氮化碳材料没有出现明显的衍射峰，证明了合成的材料为非晶态。

图3为实施例1制备的金属掺杂黑色非晶态氮化碳的傅里叶变换红外光谱。合成的样品峰减弱，证明了合成的样品为非晶态。

图4是本发明实施例1制备的金属掺杂黑色非晶态氮化碳材料的原子力显微镜图，从图中可以看出合成的样品表面光滑，证明了单原子金属高度分散诱导了氮化碳的非晶形成。

图5是本发明实施例1制备的金属掺杂黑色非晶态氮化碳材料的高分辨透射电镜图，合成的样品无晶格条纹，证明了合成的样品为非晶态。

图6是本发明实施例1制备的金属掺杂黑色非晶态氮化碳材料的紫外-可见吸收光谱图，合成的样品在整个可见光区都有吸收，证明了样品具有优异的可见光吸收能力。

图7是本发明实施例1制备的金属掺杂黑色非晶态氮化碳材料的荧光光谱图，合成的样品几乎无荧光产生，证明合成的样品光生电子-空穴对快速分离。

图8是本发明实施例1制备的金属掺杂黑色非晶态氮化碳材料在可见光下还原co2活性图，合成的样品具有优异的可见光还原co2的性能，证明了合成的材料具有高可见光催化活性。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。