[发明专利]一种宽禁带碳氮聚合物的制备方法

说明书

本发明公开提供一种宽禁带碳氮聚合物的制备方法，通过酸插层‑碱溶液剥离法，高浓度酸插入到二维石墨相氮化碳（g‑C₃N₄）层与层之间，使得g‑C₃N₄体积膨胀，加入过量碱溶液，酸碱反应使其快速剥离成g‑C₃N₄纳米片，通过控制反应条件，得到的g‑C₃N₄禁带宽度在2.7eV‑3.4eV范围内可调，本发明能够实现稳定的能带提升，提高光催化效率，应用到钙钛矿太阳能电池中，可以有效减少电子和空穴的复合率，提高太阳能电池的转化效率。

技术领域

本发明属于新型非金属光催化剂领域，具体涉及一种宽禁带碳氮聚合物的制备方法。

背景技术

近年来，随着社会的进步和经济快速的增长，能源短缺和环境污染问题日益严重，成为21世纪亟待解决的重大问题，寻找一种可持续、无污染的清洁能源迫在眉睫。太阳能作为绿色清洁能源的代表，越来越受到能源行业的青睐。半导体光催化技术是直接利用太阳能的一种新技术，具有经济和环保等优点，使其成为最热门的太阳能利用方法之一。光催化技术不仅可以解决水污染的问题，而且还可以用于解决大气污染、土壤污染、有机物降解和杀菌等多个方面的问题，具有广阔的市场应用空间和价值,而且光催化剂还可以用于光解水产生氢气来解决能源问题。近年来开发的g-C₃N₄作为一种二维纳米半导体材料，因其光催化活性较高、稳定性好、特殊的光学性能、无毒、易制备等优点尤其是不含金属这一突出优点，成为近几年研究的热点，广泛应用在光催化剂、有机反应合成、发光设备、CO₂固定和化学传感器等方面。

传统热聚合制备g-C₃N₄的禁带宽度大都在2.7eV附近，而且比表面积都非常小，导致其本身的光催化活性较低。目前在制备g-C₃N₄的过程中，容器一般采用遮盖或半密闭的方式，g-C₃N₄的产率低。目前文献报道制备大比表面积的g-C₃N₄，其制备方法大都需要先使用模板剂，然后用强酸去除模板，过程繁琐，且用酸处理g-C₃N₄时，酸是插层在二维g-C₃N₄中，不利于剥离，剥离产率低，剥离后清洗过程中损失严重。提高禁带宽度，一方面，宽禁带在平面方向提高电子传输能力，而且由于量子限制效应增加光激载流子的寿命；另一方面，得到高比表面积的纳米级颗粒，粒径越小，电子与空穴复合几率越小，电荷分离效果越好，从而导致催化活性的提高。现有技术中，制备的g-C₃N₄的最高禁带宽度接近3eV有利用热氧化蚀刻工艺获得g-C₃N₄的纳米片，禁带宽度达到2.97eV，由于g-C₃N₄是通过氢键连接的层状结构，此方法主要是在空气中热破坏层与层之间的氢键来获得g-C₃N₄的纳米片，在空气中氧化过程不够稳定，不易控制。还有通过磷掺杂和热剥离获得g-C₃N₄的纳米片，禁带宽度达到2.98eV，实验先合成g-C₃N₄，再进行高温剥离，最后掺入磷。步骤繁琐，且掺杂过程中使用的材料价格昂贵。

发明内容

本发明提供一种宽禁带碳氮聚合物的制备方法，本发明能够在密闭玻璃器皿中通过热聚合提高g-C₃N₄产率，采用酸插层-碱溶液剥离法处理热聚合成的g-C₃N₄，能够使其快速剥落得到纳米颗粒，方法简单，产量高，可以获得2.7eV-3.4eV范围的不同禁带宽度g-C₃N₄纳米颗粒，本发明能够实现稳定的能带提升，提高光催化效率，应用到钙钛矿太阳能电池中，可以有效减少电子和空穴的复合率，提高太阳能电池的转化效率。