一种聚七嗪酰亚胺氮化碳光催化剂的制备及其应用

本发明属于光催化材料制备，具体涉及一种聚七嗪酰亚胺氮化碳光催化剂的制备及其在可见光催化下分解水制取氧气中的应用。

背景技术：

1、能源是人类赖以生存发展的物质基础，同时也是保持经济社会可持续发展的动力之源。全球众多的人口、现代化工业的迅猛发展使得人类对于能源的需求不不断增大，从而导致化石燃料过度开采，进而加剧能源危机和环境污染等一系列问题。

2、利用太阳能转化制取氢气是目前最为理想、最有希望的绿色能源获取途径之一。光催化全水分解制氢气因其成本低廉、操作简便等特性，吸引了越来越多的关注，该反应由析氢半反应和析氧半反应组成。在析氧半反应中，水分子中o2-被光催化剂氧化成一个氧分子，反应历程涉及四电子转移，反应电位较高、反应速率较慢，是光催化全水分解反应的决速步骤。因此，提升光催化剂析氧半反应的反应速率，是改善光催化全水分解反应性能的重点方向之一。然而，目前能够找到具有优异析氧性能的催化剂少之又少，这严重制约了整个光催化全水分解的研究进程。

3、在众多光催化剂中，氮化碳作为一种新型聚合物半导体，在600℃下能够稳定存在，具有制备工艺简单、价格低廉、可见光下有响应、结构易于调控等优点，被认为是一种很有前途的无金属半导体光催化剂，在光催化全水分解领域具有一定潜力。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种聚七嗪酰亚胺基氮化碳光催化剂的制备方法及其应用，所制备的光催化剂具有较高的可见光利用率，能够在可见光催化下实现高效的分解水产氧反应。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种聚七嗪酰亚胺氮化碳光催化剂的制备方法，其第一个技术方案是将作为前驱体的5-氨基四氮唑与作为高温溶剂和结构导向剂的混合盐模板研磨混匀，经热聚合反应，合成聚七嗪酰亚胺氮化碳光催化剂；

4、其第二个技术方案是将5-氨基四氮唑、混合盐模板与钴基前躯体研磨混匀，经热聚合反应，合成钴掺杂的聚七嗪酰亚胺氮化碳光催化剂；

5、其第三个技术方案是将5-氨基四氮唑、混合盐模板与含氧前驱体研磨混匀，经热聚合反应，合成氧掺杂的聚七嗪酰亚胺氮化碳光催化剂；

6、其第四个技术方案是将5-氨基四氮唑、混合盐模板与钴基前躯体、含氧前驱体研磨混匀，经热聚合反应，合成钴氧共掺杂的聚七嗪酰亚胺氮化碳光催化剂；

7、进一步地，上述技术方案一~四中，所述混合盐模板为氯化钾或溴化钾中的一种与氯化锂或氯化钠中的一种组成的混合物，两者质量比为4:6-6:4。

8、进一步地，上述技术方案二、四中，所述钴基前躯体包括氯化钴、硝酸钴、碳酸钴。

9、进一步地，上述技术方案三、四中，所述含氧前驱体包括草酸、草酰胺。

10、进一步地，上述技术方案一~四中，所用5-氨基四氮唑与混合盐模板的质量比为1:3-1:5。

11、进一步地，上述技术方案二、四中，所用钴基前驱体与混合盐模板的质量比为2:1000-8:1000。

12、进一步地，上述技术方案三、四中，所用含氧前驱体与5-氨基四氮唑的质量比为1:5-1:20。

13、进一步地，上述技术方案一~四中，所述研磨的时间为0.5h。

14、进一步地，上述技术方案一~四中，所述热聚合反应在氮气氛围下进行，其氮气流速为2-3 l/min，升温速率为120-150℃/h，反应温度为500-600℃，反应时间为3-6 h。

15、上述技术方案制备的氮化碳光催化剂具有七嗪晶相结构，其微观形貌为棱柱形纳米棒，光学吸收边在490 nm附近。

16、本发明所得聚七嗪酰亚胺氮化碳光催化剂经掺杂后荧光强度明显降低，经光激发产生的光生载流子的复合效率得到有效抑制，使其在光催化反应时具有较强的产氧驱动力，因而可用于光催化分解水制取氧气。

17、进一步地，其具体应用方法是将所制得聚七嗪酰亚胺氮化碳光催化剂分散在水中，加入agno3作为电子牺牲剂，la2o3作为ph缓冲剂，在光照条件下进行光催化分解水产氧。

18、本发明的显著优点在于：

19、（1）本发明中使用氯盐和溴盐的混合物作为高温溶剂和结构导向剂，通过将碱金属钾离子嵌入氮化碳框架，以有效改善催化剂的吸收带边，促进光生电荷的分离，从而有助于实现光催化分解制取氧气。

20、（2）本发明将氧元素掺入氮化碳框架和/或将过渡金属钴离子嵌入氮化碳结构，有效抑制了光催化剂中光生电荷的复合，从而提高了其光催化分解水制取氧气的活性。

21、（3）本发明制备流程简便，产率可观，产品催化效率较高，具有大规模工业应用前景。

技术特征：

1.一种聚七嗪酰亚胺氮化碳光催化剂的制备方法，其特征在于：将作为前驱体的5-氨基四氮唑与作为高温溶剂和结构导向剂的混合盐模板研磨混匀，经热聚合反应，合成所述聚七嗪酰亚胺氮化碳光催化剂。

2.根据权利要求1所述的聚七嗪酰亚胺氮化碳光催化剂的制备方法，其特征在于：所用5-氨基四氮唑与混合盐模板的质量比为1:3-1:5。

3.根据权利要求1或2所述的聚七嗪酰亚胺氮化碳光催化剂的制备方法，其特征在于：所述混合盐模板为氯化钾或溴化钾中的一种与氯化锂或氯化钠中的一种组成的混合物，两者质量比为4:6-6:4。

4. 根据权利要求1所述的聚七嗪酰亚胺氮化碳光催化剂的制备方法，其特征在于：所述热聚合反应在氮气氛围下进行，其温度为500-600 ℃，时间为3-6 h。

5.根据权利要求1所述的聚七嗪酰亚胺氮化碳光催化剂的制备方法，其特征在于：反应体系中还添加有钴基前驱体、含氧前驱体中的至少一种。

6.根据权利要求5所述的聚七嗪酰亚胺氮化碳光催化剂的制备方法，其特征在于：所述钴基前驱体包括氯化钴、硝酸钴、碳酸钴。

7.根据权利要求5所述的聚七嗪酰亚胺氮化碳光催化剂的制备方法，其特征在于：所述含氧前驱体包括草酸、草酰胺。

8.一种如权利要求1~7中任一方法制得的聚七嗪酰亚胺氮化碳光催化剂，其特征在于：所述光催化剂具有七嗪晶相结构，其微观形貌为棱柱形纳米棒，光学吸收边在490 nm附近。

9.一种如权利要求8所述的聚七嗪酰亚胺氮化碳光催化剂在可见光催化分解水制取氧气中的应用。

技术总结本发明提供了一种聚七嗪酰亚胺基氮化碳光催化剂的制备方法及其应用，属于光催化材料制备技术领域。其是以5‑氨基四氮唑为前驱体，氯盐或溴盐的混合物为模板与高温溶剂和结构导向剂，通过热聚合法制备出具有七嗪晶相结构的聚七嗪酰亚胺基氮化碳光催化剂。经实验证明，该方法合成光催化剂的产率可观，且具有较高可见光产氧活性，具有实现光催化全水分解的潜力和大规模工业应用的前景。技术研发人员：王心晨,方元行,汪思波,陈雄,潘用鑫,王衍坤受保护的技术使用者：福州大学技术研发日：技术公布日：2024/9/2