一种过渡金属改性聚合物氮化碳薄膜电极的制备方法

本发明属于光电化学领域，具体涉及一种过渡金属改性聚合物氮化碳薄膜电极的制备方法。

背景技术：

1、光电化学水分解技术是解决世界能源问题的有效途径之一，光电化学器件的核心是具有光催化活性的半导体材料，聚合物氮化碳(cn)因其丰富的组成元素、良好的热稳定性、合适的带隙(2.7ev)，且导带和价带位置合适，在光催化领域受到了广泛关注。

2、纯cn的可见光吸收范围窄、光生载流子严重复合、缺乏反应活性位点等，导致其光催化性能不太理想，从而影响了cn在光电化学领域的应用。元素掺杂是调节聚合物氮化碳电子结构，改善其光吸收和载流子分离能力的有效手段。

3、目前，非金属掺杂和金属元素掺杂聚合物氮化碳策略被广泛用于粉体聚合物氮化碳的性能调控中，如通常将金属或非金属盐与富碳氮的原料(三聚氰胺，尿素，硫脲等)混合煅烧进行制备，但这类方法往往无法适用于薄膜基的光电催化或光电子领域，因此只有非常有限种类的元素被用于光电催化领域的研究。另外元素掺杂的同时保证薄膜结构的均匀性也是当前研究面临的另一问题。因此，开发元素掺杂型聚合物氮化碳均匀薄膜电极有望显著改善其光电化学性能，进而推动聚合物氮化碳在光电领域的广泛应用。

技术实现思路

1、本发明提供一种过渡金属改性聚合物氮化碳薄膜电极的制备方法，改性后的电极能有效降低光生电子-空穴复合效率，增强电极的光电性能；扩大聚合物氮化碳薄膜电极的光电领域的应用。

2、本发明的技术方案是，一种过渡金属改性聚合物氮化碳薄膜电极的方法，包括以下步骤：

3、s1、以双氰胺和三聚氰酸为前躯体，通过气相沉积的方法制备聚合物氮化碳薄膜电极；

4、s2、将聚合物氮化碳薄膜电极置于过渡金属盐溶液中进行浸泡处理，即得过渡金属改性聚合物氮化碳薄膜电极。

5、进一步地，s1中双氰胺与三聚氰酸混合并研磨均匀后作为前驱体，将前驱体平铺于耐热载体底部，前躯体上部放置基底材料，将整个耐热载体用锡纸包裹后放置于加热装置中，在保护气氛下加热进行气相沉积。

6、进一步地，双氰胺与三聚氰酸的质量比为2:0.6～1.2。

7、进一步地，耐热载体为瓷舟；基底材料为氟掺杂的氧化锡(fto)、玻璃或钛片；加热装置为管式炉。

8、进一步地，气相沉积时，升温速率为2～8℃/min，加热温度至500～600℃后保温1～3h；保护气为n2或ar。

9、进一步地，s2中过渡金属盐溶液为三氯化铁、氯化钴、氯化镍或氯化锰。

10、进一步地，过渡金属盐溶液的浓度为1～4mol％；溶剂为丙酮。

11、进一步地，电极的浸泡时间为1～6小时，过渡金属盐溶液的温度为40～50℃。

12、进一步地，电极用过渡金属盐溶液浸泡后，再用去离子水进行浸泡2h，最后在40℃干燥2h。

13、本发明还涉及采用所述方法得到的过渡金属改性聚合物氮化碳薄膜电极在光电化学领域中的应用。

14、本发明具有以下有益效果：

15、1、本发明通过气相沉积法制备聚合物氮化碳薄膜电极，然后通过浸泡到过渡金属盐溶液中处理的方法进行改性，在聚合物氮化碳中的孤电子和金属阳离子的相互作用下，金属元素与聚合物氮化碳结合，经金属元素掺杂的聚合物氮化碳薄膜电极，能够提高注入效率，降低光生电子-空穴复合效率，增强电极的光电性能。

16、2、本发明中过渡金属溶液制备时，采用的溶剂为丙酮，使铁离子更易与氮化碳结合。避免采用水作溶剂发生水解反应产生羟基氧化铁。

17、3、该制备方法工艺简单，易于施工，且得到改性聚合物氮化碳薄膜的均匀性好，重复性高，相比改性前聚合物氮化碳薄膜的光电化学性能得到显著的提升。

技术特征：

1.一种过渡金属改性聚合物氮化碳薄膜电极的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的过渡金属改性聚合物氮化碳薄膜电极的方法，其特征在于：s1中双氰胺与三聚氰酸混合并研磨均匀后作为前驱体，将前驱体平铺于耐热载体底部，前躯体上部放置基底材料，将整个耐热载体用锡纸包裹后放置于加热装置中，在保护气氛下加热进行气相沉积。

3.根据权利要求2所述的过渡金属改性聚合物氮化碳薄膜电极的方法，其特征在于：双氰胺与三聚氰酸的质量比为2:0.6~1.2。

4.根据权利要求2所述的过渡金属改性聚合物氮化碳薄膜电极的方法，其特征在于：耐热载体为瓷舟；基底材料为氟掺杂的氧化锡（fto）、玻璃或钛片；加热装置为管式炉。

5.根据权利要求2所述的过渡金属改性聚合物氮化碳薄膜电极的方法，其特征在于：气相沉积时，升温速率为2~8℃/min，加热温度至500~600℃后保温1~3h；保护气为n2或ar。

6.根据权利要求1所述的过渡金属改性聚合物氮化碳薄膜电极的方法，其特征在于：s2中过渡金属盐溶液为三氯化铁、氯化钴、氯化镍或氯化锰。

7.根据权利要求6所述的过渡金属改性聚合物氮化碳薄膜电极的方法，其特征在于：过渡金属盐溶液的浓度为1~4mol%；溶剂为丙酮。

8.根据权利要求6所述的过渡金属改性聚合物氮化碳薄膜电极的方法，其特征在于：电极的浸泡时间为1~6小时，过渡金属盐溶液的温度为40~50℃。

9.根据权利要求1所述的过渡金属改性聚合物氮化碳薄膜电极的方法，其特征在于：电极用过渡金属盐溶液浸泡后，再用去离子水进行浸泡2h，最后在40℃干燥2h。

10.采用权利要求1~9任意一项所述方法得到的过渡金属改性聚合物氮化碳薄膜电极在光电化学领域中的应用。

技术总结
本发明提供了一种过渡金属改性聚合物氮化碳薄膜电极的制备方法，包括以下步骤：S1、以双氰胺和三聚氰酸为前躯体，通过气相沉积的方法制备聚合物氮化碳薄膜电极；S2、将聚合物氮化碳薄膜电极置于过渡金属盐溶液中进行浸泡处理，即得过渡金属改性聚合物氮化碳薄膜电极。本方法制备的聚合物氮化碳薄膜的均匀性好，重复性高，且相比于改性前聚合物氮化碳薄膜的光电化学性能得到显著的提升。

技术研发人员：吕晓伟,杨雪蓉,童焜,彭梦阳,张顺,陈德国,孙盼盼,孙小华
受保护的技术使用者：三峡大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14