[发明专利]一种氮化碳负载氮化钼纳米颗粒光催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明公开一种氮化碳负载氮化钼的纳米颗粒光催化剂及制备方法和应用，首先制备超薄的CN和Mo₂N前驱体，然后制备Mo₂N水溶液和CN的乙醇分散液；然后70℃油浴中将CN的乙醇分散液滴入到Mo₂N水溶液中搅拌混合，然后再经离心、洗涤、干燥得到氮化碳负载氮化钼的纳米颗粒光催化剂，其具有宽的光吸收范围，高分解水产氢性能，低电阻率，快速转移载流子的能力，高光生载流子分离能力，低载流子重组率，以及良好的析氢循环稳定性等特点，其用于光催化水分解制氢，产氢速率最高可达0.89μmol·g^‑1·h^‑1。其制备方法具有操作简单，成本低廉，所用原材料无毒，符合环保理念的生产。

技术领域

本发明涉及一种光催化材料，具体来说涉及一种氮化碳负载氮化钼纳米颗粒光催化剂及其制备方法和应用，属于材料学领域。

背景技术

化石燃料的过度消耗以及能源危机导致的日益严重的环境问题，使得现代社会对可再生能源和清洁能源的需求非常强烈。氢(H₂)作为绿色能源最有前途的候选者，因为其碳足迹为零，且质量比能量密度高，因此可以在一定程度上解决能源问题。在所以生成氢气的过程中，太阳能分解水制得氢气被认为是最可持续的选择，因此研究人员致力于寻找高性能、低成本的光催化剂，用于分解水制氢。

目前，尽管在光照下可直接使用半导体光催化剂获得氢气，但太阳能与氢气的能量转换效率仍然很低，主要需要解决在的问题是：(1)拓宽光吸收范围，(2)促进光生电子-空穴的分离和快速转移，(3)抑制电子-空穴的重组。

石墨化氮化碳是近几年兴起的一种光催化材料，块状g-C₃N₄是通过三聚氰胺，尿素或二氰胺的热聚合合成，具有无毒、可见光响应的特点。它具有2.7eV左右的带隙，其最高分子占有轨道(HOMO)和最低分子占有轨道(LUMO)分别位于+1.6V和-1.1V处。但块状g-C₃N₄有以下问题限制了其应用：(1)可见光吸收差，(2)光诱导产生的电子-空穴对极易重组，(3)比表面积小，且活性位点有限。

为改善g-C₃N₄的光催化性能，采用以下方法进行改性：(1)合成g-C₃N₄的特定纳米结构，(2)用金属(如Pt)或非金属掺杂，(3)在g-C₃N₄和其他物质之间构建异质结构。

Mo基催化剂在成为用于由水分解产生H₂中的贵金属催化剂的替代物上有广大应用前景，这是因为它们可以在催化中心表现出适合H₂的结合能，并且具有像金属一样电荷可以在固体中传输的性质。

另外，过渡金属氮化物在电催化应用中引起了广泛关注，因为它们显示出高导电性，低电阻，优异的腐蚀稳定性和优异的机械强度。先前报道MoN作为电催化剂显示出高的H₂析出速率。MoN是具有层状结构的六方晶体结构，已有研究表明MoN层由顶端Mo原子组成，证实表面Mo原子扮演着将质子转化为氢的活性位点的角色。此外，二维结构有利于暴露丰富的表面活性位点并减少电荷迁移距离。

所以，设计一种具有二维结构的氮化碳，并相应使之与Mo基材料形成异质结构是目前解决这类材料问题的有效手段。在此，以尿素为原料，通过盐酸处理后在高温下热分解，形成二维超薄石墨化氮化碳，解决氮化碳比表面积小、活性位点少的缺陷，并促进电子转移；另外，将氮化碳与氮化钼形成异质结，有效促进光生载流子的分离与转移，抑制其重组，解决氮化碳电子-空穴极易重组的问题，从而达到具有低电阻、高光电响应、高析氢性能的光催化材料。

综上所述，通过设计形成具有二维结构的复合材料，是目前解决的主要手段，在此，通过设计一种采用油浴法合成二维超薄石墨化氮化碳负载氮化钼纳米颗粒光催化析氢复合材料的制备方法能够有效解决现在氮化碳作为光催化材料存在的光生载流子易重组、产氢效率低下等问题。