[发明专利]一种氮化碳可见光催化剂的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米催化剂材料合成领域，具体涉及一种氮化碳可见光催化剂的微波离子热超快制备方法。

背景技术

太阳每年向地球输送3×10²⁴J的能量，如何高效利用太阳能是人类社会解决能源问题的关键课题。太阳能可直接利用或将其转换为其他方便利用的能量形式，包括生物质光合作用、太阳能光伏发电、太阳能光解水产氢等。高效光催化剂在太阳能光解水产氢中起决定性作用。太阳能光催化分解水制氢的高效催化剂设计与制备，是可再生能源研究开发的热点与前沿，具有重要的科学与应用价值。

目前，研究较多的固相光催化剂有过渡金属氧化物纳米晶（如氧化钛、氧化锌等）、金属硫化物纳米晶（硫化锌、硫化镉等）、金属碳氮化物纳米晶，以及它们的复合结构等[Appl.Catal.B-Environ.2015,170-171,74;Langmuir2015,31,4314;Appl.Catal.B-Environ.2015,164,1]。这些催化材料多数存在电子能带结构与太阳能光谱不匹配、催化效率不高、催化剂本身不稳定、难以量产等技术瓶颈，限制了太阳能催化制氢的产业发展。可高效利用太阳能可见光的新型催化剂开发成为材料与化学科学家的研究焦点。其中，石墨相氮化碳可见光催化剂，能带间隙在2.7eV左右，具有良好的可见光催化性能，化学稳定性高，胜任酸或碱环境，是最具应用前景的新型催化剂之一[Nat.Mater.2009,8,76]。

石墨相氮化碳催化剂廉价、绿色、宏量制备技术的突破是获得商业化应用的前提条件。目前，石墨相氮化碳可见光催化剂制备方法，主要是以含C、N元素的尿素、三聚氰胺、双氰胺等前驱体为原料，在空气或保护气氛中在电阻炉500~600℃温度下保温3~4小时，将前驱体热聚合[Angew.Chem.2014,126,9394]。该方法热处理时间长，前驱体易和空气反应，导致产率极低。此外，氮化碳制备过程对反应容器的密闭性敏感，产物性能的稳定性差，重复性难以保证。现有制备方法存在的产率低、反应时间长、产物重复性差等技术瓶颈，极大限制了氮化碳催化剂的规模化制备与推广应用，亟需发展氮化碳催化剂快速、高效、节能的可控制备新方法。

微波具有体加热特性、升温速度快、并且具有非热效应的特点，在催化剂材料的制备过程中有重要应用[Chem.Rev.2014,114,6462]。物质对微波的吸收具有选择性，因此在材料制备的多数情况需要在原料中添加微波吸收助剂来辅助升温，例如专利（201310404491.1微波加热快速制备类石墨结构氮化碳材料）。但是，直接利用微波合成的过程中，影响因素较多，反应过程不容易控制且反应过程激烈，微波法直接制备过程中要求反应容器有很好的密闭性，反应需要较高的温度，且对时间把握要求精确。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用微波离子热法快速制备氮化碳可见光催化剂的方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种氮化碳可见光催化剂的制备方法，该方法以有机前驱体为原料、以熔盐为反应介质、在微波辐照中进行热聚合反应，热聚合反应所得固体物经后处理得氮化碳催化剂。

有机前驱体为三聚氰胺、尿素、双氰胺中的一种或多种。

熔盐为氯化钾与氯化锂的混合物，熔盐的熔点不低于353℃且不高于热聚合反应温度。

有机前驱体与熔盐的质量比为0.2-1。

微波辐照在微波工作站中进行，微波功率为2-4KW，热处理温度为400-600℃，保温时间为1-60min。热处理温度优选480-580℃，保温时间优选10-30min。

微波工作站为微波马弗炉、微波管式炉。

具体步骤如下：1）根据相图熔点确定熔盐中氯化锂和氯化钾的质量比；

2）将设定量的有机前驱体与和步骤1）的熔盐混合研磨均匀；

3）步骤2）得到的混合粉体置于微波工作站中进行热聚合反应；

4）步骤3）热聚合反应后所得固体物经洗涤（使用50-80℃热水）、干燥，得氮化碳催化剂。

在确定熔盐的熔点时，使熔盐的熔点不低于353℃且不高于热聚合反应温度，这样可以保证反应时熔盐溶解，为反应提供一个液相环境；确定好熔盐的熔点，根据相图熔点来确定氯化锂和氯化钾的质量比。