一种采用氯、钾共掺杂氮化碳进行压电催化分解水产氢的方法

本发明涉及压电催化，尤其涉及一种采用氯、钾共掺杂氮化碳进行压电催化分解水产氢的方法。

背景技术：

1、氢能是一种能量密度大、零污染、零碳排放的能源，成为了解决能源危机、环境污染和构建环保高效的能源体系的良药。因此寻找一个绿色、低成本的制氢技术，对实现能源的可持续发展尤为重要。压电催化作为一种新型催化技术，也被应用于催化分解水产氢。这种技术利用了压电材料特有的极化现象，可以在机械应力(如搅拌、超声波振动、空气扰动等)作用下产生极化电场，驱动自由电子和空穴迁移到材料表面，触发氧化还原反应生成活性基，从而实现催化效果，整个过程发生机械能到化学能的转化。

2、氮化碳因为其具有适合水解制氢的禁带宽度(2.7ev)、有利的边带电势、优异的物理化学热稳定性以及简单的制作工艺，然而由于氮化碳的3-s-三嗪环结构单元之间分布着大量的非中心对称的三角形纳米孔，这让氮化碳在平面内有了压电性质。然而传统方法制备出来的氮化碳是各向异性的多晶体，内部分布随机的偶极子在晶体内部相互抵消，导致自发极化产生的电场较小，驱使自由电子和空穴产生的驱动力不大，催化效率不高。

3、通过熔盐法提高氮化碳的结构的有序性，通过对异质元素掺杂和官能团修饰等策略对块体氮化碳进行可控修饰，有助于弥补固有缺陷，从而提高其压电性能。另外有研究发现k+的引入可以减少电子局域态、扩大π共轭体系，提高氮化碳内部局域的偶极性，从而促进电荷有效转移。

4、进一步提高氮化碳的催化性能是目前所要解决的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种采用氯、钾共掺杂氮化碳进行压电催化分解水产氢的方法，该方法采用氯、钾共掺杂氮化碳作为催化剂，引入氯、钾元素协同修饰氮化碳，调节氮化碳的压电性质并减少材料电子局域态、扩大π共轭体系，以优化材料内载流子分离效率，该催化剂能够在惰性气体条件下，施加机械能催化分解水产氢。

2、本发明所述的采用氯、钾共掺杂氮化碳进行压电催化分解水产氢的方法，包括以下步骤：

3、将氯、钾共掺杂氮化碳分散在水中形成悬浊液，再将悬浊液倒入密闭容器中，将容器内气氛调节为惰性气体，施加机械能催化分解水产氢。

4、优选的，所述机械能的施加方式为研磨、搅拌、声波辐照、气流扰动、液体流动中的至少一种。

5、更优选的，所述声波辐照中，超声催化的时长0.01～5h，优选2h；超声的频率为20～100khz，功率为100～400w，优选40khz，100w。

6、优选的，所述氯、钾共掺杂氮化碳的制备方法，包括以下步骤：

7、(1)将氯化锂、氯化钾熔盐体系与富氮前驱体混合均匀，在空气氛围下，升温至煅烧温度，煅烧完成后随炉冷却至室温，得到固体；

8、(2)将步骤(1)得到的固体研磨成粉末，分散在去离子水中，静置，分离，热水洗涤，干燥，研磨得到氯、钾共掺杂氮化碳。

9、优选的，步骤(1)所述的熔盐体系中氯化钾和氯化锂的质量比为1.5:1～1.2:1。

10、优选的，步骤(1)所述的富氮前驱体为三聚氰胺、三聚氰氯、氰胺、二氰二胺、尿素中的任意一种或几种。

11、优选的，步骤(1)所述的熔盐体系与富氮前驱体的质量比为1:1～15:1。

12、优选的，步骤(1)所述升温速率为1-10℃/min；所述煅烧温度为450～600℃，煅烧时间1-5h。

13、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

14、本发明提供了一种采用氯、钾共掺杂氮化碳进行压电催化分解水产氢的方法，本发明采用氯化锂、氯化钾的熔盐体系与富氮前驱体为原料，熔盐体系能够降低盐的熔点，辅助富氮前驱体聚合，同时提供氯源，并且在热聚合过程中有一定含量的氯钾元素掺杂入氮化碳中。本发明采用氯、钾共掺杂氮化碳作为催化剂，引入氯、钾元素协同修饰氮化碳，调节氮化碳的压电性质并减少材料电子局域态、扩大π共轭体系，以优化材料内载流子分离效率。当催化剂在机械能作用下时，它会形成压电势并在内部产生压电电场，以此来驱动电子-空穴对快速的分离，从而获得更高效的分解水制氢性能。该方式操作流程简单、反应条件绿色温和、无污染、能够满足实际工程应用的需要。

技术特征：

1.一种采用氯、钾共掺杂氮化碳进行压电催化分解水产氢的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的采用氯、钾共掺杂氮化碳进行压电催化分解水产氢的方法，其特征在于，所述机械能的施加方式为研磨、搅拌、声波辐照、气流扰动、液体流动中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的采用氯、钾共掺杂氮化碳进行压电催化分解水产氢的方法，其特征在于，所述氯、钾共掺杂氮化碳的制备方法，包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的采用氯、钾共掺杂氮化碳进行压电催化分解水产氢的方法，其特征在于，步骤(1)所述的熔盐体系中氯化钾和氯化锂的质量比1.5:1～1.2:1。

5.根据权利要求3所述的采用氯、钾共掺杂氮化碳进行压电催化分解水产氢的方法，其特征在于，步骤(1)所述的富氮前驱体为三聚氰胺、三聚氰氯、氰胺、二氰二胺、尿素中的任意一种或几种。

6.根据权利要求3所述的采用氯、钾共掺杂氮化碳进行压电催化分解水产氢的方法，其特征在于，步骤(1)所述的熔盐体系与富氮前驱体的质量比为1:1～15:1。

7.根据权利要求3所述的采用氯、钾共掺杂氮化碳进行压电催化分解水产氢的方法，其特征在于，步骤(1)所述升温速率为1-10℃/min；所述煅烧温度为450～600℃，煅烧时间1-5h。

技术总结
本发明提供了一种采用氯、钾共掺杂氮化碳进行压电催化分解水产氢的方法，属于压电催化技术领域。本发明采用氯、钾共掺杂氮化碳作为催化剂，将其分散在水中形成悬浊液，再将悬浊液倒入密闭容器中，将容器内气氛调节为惰性气体，施加机械能催化分解水产氢。引入氯、钾元素共修饰氮化碳，调节氮化碳的压电性质并减少材料电子局域态、扩大Π共轭体系，以优化材料内载流子分离效率。当催化剂在机械能作用下时，在内部产生压电电场，以此来驱动电子‑空穴对快速的分离，从而获得更高效的分解水产氢性能。该方式操作流程简单、反应条件绿色温和、无污染、能够满足实际工程应用的需要。

技术研发人员：冯文辉,朱启榕,胥仕杰,许第发,张向超,陶思静,周影锋,吴凡
受保护的技术使用者：长沙学院
技术研发日：
技术公布日：2024/5/16