[发明专利]一种硫掺杂的多孔氮化碳光催化材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于光催化材料合成技术领域，具体涉及一种硫掺杂的多孔氮化碳光催化材料的制备方法。

背景技术

人类社会面临严峻的环境和能源问题，亟待找到解决的途径，光催化材料有可能成为解决这两个难题的突破口，但是大多数光催化材料只对紫外光响应，严重制约了对太阳光的利用效率，因此，开发具有可见光响应的光催化材料具有重要意义。

氮化碳(g-C₃N₄)是一种具有可见光响应的光催化材料，自其问世就受到人们的广泛关注。由于它具有优异的化学稳定性和独特的电子能带结构，而且无毒、不含金属组分和对可见光响应等优点，氮化碳广泛地应用于光催化过程，如光催化水裂解、选择性光有机合成以及空气或水中有机污染物的消除等方面。研究发现，块体氮化碳材料的量子效率比较低，而纳米氮化碳材料由于粒径小、比表面积大，大幅度增加了材料的反应活性位点，并有效地降低了光生电子和空穴复合的几率。此外，形成多孔结构是增加材料比表面积的有效途径之一，并且大尺寸的多孔材料容易分离，因此，具有多孔结构的氮化碳光催化材料备受人们的关注。此外，非金属元素的掺杂一直以来都是光催化材料改性研究中的热点之一，非金属元素的掺杂能够促进氮化碳对可见光的吸收，提高载流子迁移率和降低光生电荷-空穴的复合几率，并最终提高光催化材料的活性。因此，将材料的多孔特性与非金属元素掺杂相结合可能得到活性更高的氮化碳材料，这一研究对获得具有优异可见光光催化性能的材料具有重要的意义。

经过检索发现，Liu等人于J.Am.Chem.Soc.杂志（2010年第132期第11642-11648页）在H₂S气氛中450℃下加热g-C₃N₄合成出硫掺杂的g-C₃N₄，但是合成条件比较苛刻；Hong等人于J.Mater.Chem.杂志（2012年第22期第15006-15012页）以硫脲为反应物，SiO₂纳米粒子作为硬模板，制备出介孔g-C₃N₄，合成步骤繁琐；Ge等人于Mater.Res.Bull.杂志（2013年第48期第3919-3925页）氮气下煅烧氰胺与硫脲合成块状硫掺杂的g-C₃N₄，由于比表面积较小，光催化活性较低。

发明内容

针对上述合成方法的不足，本发明提出了一种以氰胺盐自组装超分子聚合物为前驱体制备硫掺杂多孔氮化碳光催化材料的方法。本发明以三聚氰胺和三聚硫氰酸为原料，水为溶剂，经过简单的水热处理即可生成超分子聚合物，将其在惰性气氛下加热处理后就得到由纳米粒子组装而成的三维网络硫掺杂多孔氮化碳光催化材料。

本发明简便易行，采用煅烧超分子聚合物前驱体的方法，不需要添加任何模板剂、表面活性剂，简化了反应体系，降低了成本，所用试剂污染小，反应重复性好，制备条件温和，合成过程耗时短，对设备的要求不高。所得硫掺杂多孔氮化碳光催化材料在光催化产氢的反应中表现出优异的催化活性，产氢速率分别是相同条件下煅烧三聚氰胺或三聚硫氰酸所得产物的8.3倍和5.2倍，且性能稳定、循环性好。

本发明所述的一种硫掺杂的多孔氮化碳光催化材料的制备方法，其步骤如下：

（1）把三聚氰胺和三聚硫氰酸加入到去离子水中，搅拌分散10～30min后于60～120℃条件下处理2～5h，然后自然冷却至室温；

三聚氰胺与三聚硫氰酸的摩尔比为1：0.8～1：1.2，每0.5mmol的三聚氰胺加入到60～100mL去离子水中；

（2）将步骤（1）所得的悬浊液用孔径为30～50微米的滤材过滤，清洗，干燥处理后得到黄色的超分子聚合物；

所述的清洗是用去离子水清洗3～5次，干燥处理是在60～80℃条件下放置2～5h。

（3）将步骤（2）得到的超分子聚合物在惰性气氛中煅烧2～4h，从而得到硫掺杂的多孔氮化碳光催化材料。

所述的惰性气氛是在氮气或氩气条件下，煅烧温度是500～650℃，升温速率是10～30℃/min。

本发明具有以下优点：

1.与现有的合成方法相比，本发明简便易行，所用试剂污染小，合成过程耗时短，重复性好，反应条件温和，对设备的要求不高。

2.硫掺杂多孔氮化碳光催化材料的合成，不添加任何模板剂、表面活性剂，简化了反应体系，降低了成本。