[发明专利]一种有机染料改性氮化碳石墨烯复合材料及其应用

说明书

本发明公开了一种机染料改性氮化碳石墨烯复合材料，所述复合材料按如下方法制备：将g‑C₃N₄醇溶液与石墨烯醇溶液混合，超声混匀，再在100～240℃下恒温8～24h，离心去除乙醇，取沉淀真空干燥，得到g‑C₃N₄/r‑石墨烯复合物；将g‑C₃N₄/r‑石墨烯复合物与有机染料和有机醇C混合，超声混匀，离心，沉淀用有机醇C洗涤后黑暗干燥，获得所述有机染料改性氮化碳石墨烯复合材料；本发明复合材料不仅具有介孔结构而且比表面较高，提高了空穴‑电荷分离速率和对光的吸收率和利用率，在可见光下对二氧化碳和水蒸气还原，得到甲醇是石墨相氮化碳光催化性能的8倍以上。

(一)技术领域

本发明涉及二氧化碳的光催化剂的合成，是一种以染料改性氮化碳/还原石墨烯的催化剂，及用于光催化合成甲醇的应用。

(二)背景技术

随着人们对各种化石燃料的消耗，大气中二氧化碳(CO₂)的过量排放使温室效应日益加剧。但同时二氧化碳又成为全世界来源最广泛，最廉价的碳源。在此背景下，探索合理利用CO₂已经成为国内外的重要研究课题。利用取之不尽的太阳能，模拟植物光合作用，将CO₂光催化还原成碳氢化合物(如甲烷、甲醇等)是一项绿色合成技术。而甲醇不仅仅是一种合成多种有机物的基本原料，同时它还是一种可持续的清洁的绿色燃料。所以研究光催化还原CO₂一方面可以减少空气中CO₂的浓度，降低温室气体效应，另一方面由CO₂还原合成的甲醇燃料，能够缓解日益紧张的能源危机。光催化还原CO₂合成甲醇研究的核心的光催化剂，它是决定光催化还原CO₂过程得以实际应用的重要因素之一，因此，探索和开发各种潜在的高效光催化剂是当今重要的研究方向。虽然，光催化CO₂制燃料已经取得了很大的进展，但是目前光催化还原CO₂依然存在一系列问题：1)光催化剂能量利用率低，对太阳能的转化率低，无法充分利用这一清洁能源；2)光生电子空穴的复合严重影响了光催化效率，导致量子效率低。最近，非金属半导体石墨相氮化碳(g-C₃N₄)，因其独特的半导体能带结构和优异的化学稳定性，作为可见光光催化剂被引入到光催化二氧化碳光催化还原反应，引起人们的广泛关注。由于聚合物的材料特性，将g-C₃N₄作为光催化剂还存在一些问题，如比表面积小、产生光生载流子的激子结合能高、光生电子-空穴复合严重、量子效率低和禁带宽度较大而不能有效利用太阳光等问题。

本发明提供一种有机染料改性氮化碳/还原石墨烯复合材料及其制备方法，以及在光催化合成甲醇的应用。该光催化活性高、成本低廉、无毒性、催化效率高，且反应条件温和，易于工业化放大生产。

(三)发明内容

本发明要解决的问题是：克服目前块状g-C₃N₄石墨相氮化碳比表面积小、光生电子-空穴复合严重、量子效率低等问题，提供一种染料改性氮化碳/还原石墨烯复合材料，用于可见光催化还原二氧化碳制甲醇燃料。另外，本发明采用剥离氮化碳、水热法制备氮化碳/还原石墨烯，染料改性等三步骤制备染料改性氮化碳/还原石墨烯复合材料，此法简单易行、设备简单、合成条件温和、具有工业化前途。

本发明采用的技术方案是：