[发明专利]一种碳自掺杂氮化碳纳米薄膜电极的简单制备方法

说明书

本发明公开了一种碳自掺杂氮化碳纳米薄膜电极的简单制备方法，该方法以三聚氰酸和三聚氰氯为前驱体、乙腈为溶剂，采用简单溶剂热法在表面羟基化的普通玻璃、石英玻璃、FTO导电玻璃或TiO₂/FTO等基底上可控生长不同厚度的由自敏化氮化碳纳米颗粒组成的薄膜，然后采用后热处理使表面自敏化氮化碳碳化得到不同厚度和致密度的碳自掺杂氮化碳纳米薄膜。本发明制备过程简单，通过改变溶剂热反应时间和后热处理温度等可调控碳自掺杂氮化碳纳米薄膜的厚度和致密度，所得薄膜面积大且与基底接触紧密，碳掺杂增强了氮化碳的导电性，用于光电水分解表现出更优异的光电流响应。

技术领域

本发明属于光电化学制氢半导体电极技术领域，具体涉及一种碳自掺杂氮化碳电极的简单制备方法。

背景技术

光催化及光电催化分解水可将太阳光转化为化学能，作为解决可持续能源挑战的最有前途的方案备受关注。最常用的电极材料为无机半导体，有TiO₂、ZnO、BiVO₄、FeOOH、NiOOH和赤铁矿等。无金属共轭聚合物半导体材料如石墨相氮化碳(g-C₃N₄)及其衍生物，虽然其光催化效率较低于无机半导体材料(TiO₂、CdS、BiVO₄等)，但由于其具有诸多优点，如适当的能带、无毒和廉价易得等，近年来也被视为光催化电极材料中最有前途的一种材料。此外，研究传统的氮化碳的电化学和光电化学性质对于理解其光催化性能是非常重要和有意义的。由于这些原因，前期有一些工作已经研究了氮化碳薄膜光电极的光电性质。但是，由于自身的结构缺陷(只能吸收可见光到450nm和具有较低的电导率和电荷分离效率)以及电极的制备方法不够成熟而限制了氮化碳作为电极材料在光电化学分解水方面的应用。

在过去的十年里，材料和化学工作者采用包括元素掺杂众多不同的策略调控氮化碳的能带结构、电导性和表面反应活性以提高其光电性能，特别是碳自掺杂更是一种理想的改性氮化碳的有效策略(Y.Zhang,T.Mori,J.Ye,M.Antonietti,J.Am.Chem.Soc.,2010,132,6294；Y.Zhang,Z.Schnepp,J.Cao,S.Ouyang,Y.Li,J.Ye,S.Liu,Sci.Rep.2013,3.)。因为通过碳掺杂取代在网络上的氮原子可形成富碳结构，将大大提高电导率而不会引入作为载流子复合中心的杂原子和缺陷。研究表明碳自掺杂形成离域大π键引起g-C₃N₄的电子结构和能带结构的变化，从而增加其可见光的吸收、导电性能和光活性(G.Dong,K.Zhao,L.Zhang,Chem.Commun.,2012,48,6178；Z.Zhao,Y.Sun,F.Dong,Y.Zhang,H.Zhao,RSCAdv.,2015,5,39549.)。因此，制备碳自掺杂氮化碳薄膜在光电化学分解水方面的应用具有非常重要的研究意义。

通常，氮化碳电极的合成策略主要是基于氮化碳粉体在FTO玻璃直接涂层制备或FTO导电玻璃上前驱物加热聚合(Y.Zhang,A.Thomas,M.Antonietti,X.Wang,J.Am.Chem.Soc.,2008,131,50；M.Shalom,S.Gimenez,F.Schipper,I.Herraiz-Cardona,J.Bisquert,M.Antonietti,Angew.Chem.2014,126,3728.)。这些方法合成的电极，氮化碳材料不能与FTO玻璃紧密接触，而且不能得到致密的氮化碳薄膜，这很大程度上会限制光电化学应用。半导体薄膜通常表现出有趣的电化学和光电化学性质，可以很容易的表面改性，从而获得了极大关注。因此，制备均匀分布的氮化碳薄膜使其在电化学和光电化学电池方面得到广泛应用具有非常重要的研究意义和现实意义。虽然近年来已报道了氮化碳电极的众多制备方法如热蒸汽冷凝、微接触印刷、溶胶处理、直接生长法。然而，在导电基底上可控和原位生长氮化碳的方法比较缺乏，制备大面积、均匀、无孔氮化碳薄膜依然存在显著挑战，这限制了氮化碳材料的应用。

发明内容