[发明专利]一种金属单原子/磷掺杂氮化碳光催化剂的制备方法

说明书

本发明公开了一种金属单原子/磷掺杂氮化碳光催化剂的制备方法，制备过程包括以下步骤：a)尿素金属络合物的制备：将金属盐与尿素于溶剂中反应，得尿素金属络合物；b)热缩聚：在惰性气氛保护下，将尿素金属络合物与氮化碳前驱体混合均匀后热缩聚，得热缩聚产物；c)磷化：将热缩聚产物与次亚磷酸盐混合均匀后在惰性气氛下热处理，得一种金属单原子/磷掺杂氮化碳光催化剂。采用本发明方法，制得金属单原子负载量高达20wt％的氮化碳光催化剂；析氢速率为贵金属铂作为析氢助催化剂的磷掺杂氮化碳的2倍；具有原材料丰富、廉价，制备方法简单，制备成本低等优势。

技术领域

本发明涉及一种金属单原子/磷掺杂氮化碳光催化剂的制备方法，属于光催化材料制备领域。

背景技术

光催化分解水技术是实现太阳能转化、获取清洁能源－氢能的理想方法之一。氮化碳是一种非金属半导体光催化材料，具有原材料来源广、制备简单、价格低廉、禁带宽度较窄(约为2.7eV)、可见光响应较好等优势。然而，光生电荷传输速率慢、太阳能利用率较低等不足，导致太阳能驱动氮化碳光解水产氢的效率通常较低。

为了提高氮化碳的光解水产氢速率，目前的研究主要围绕以下两方面展开：1)拓宽氮化碳的光谱响应范围，提高其可见光利用率。其中，非金属元素如P、S等元素，掺杂改性氮化碳光催化材料已被证实是提高其可见光产氢速率的有效措施之一(J.Mater.Chem.A,2015,3,3862；Appl.Catal.B:Environ.,2017,205,319)；2)负载助催化剂，降低氮化碳光解水的活化能，促进水分解反应的发生。其中，贵金属Pt具有较高的功函、优良的析氢活性，是氮化碳光解水产氢最为常用的助催化剂之一。但是，贵金属Pt存在价格高昂、地球储量少等问题，这无疑会限制其作为助催化剂在光解水技术中的实际应用。

近年来，由于具有接近100％的原子利用率、较高的催化活性和选择性、以及兼具均相催化和异相催化等优势，单原子催化在催化领域中引起了广泛关注。研究表明，廉价金属(指除贵金属铂、金之外的金属)单原子负载氮化碳可以摆脱对贵金属Pt析氢助催化剂的依赖，具有较好的光解水析氢活性(Angew.Chem.,2017,129,9440；Angew.Chem.,2017,56,12191)。但是，目前报道的廉价金属单原子负载氮化碳的制备方法主要为浸渍法，廉价金属单原子的负载量通常很低(～0.5wt％)，从而导致氮化碳的析氢活性位较少。因此，廉价金属单原子负载氮化碳的光解水产氢活性并不高，与贵金属Pt作为析氢助催化剂仍存在不少的差距(Angew.Chem.,2017,129,9440；Angew.Chem.,2017,56,12191)。提高廉价金属单原子的负载量，不仅可以为氮化碳分解水反应提供更多的反应活性位，同时也能有效缩短光生电荷迁移至活性位点的距离，从而有望提高其光解水产氢的量子效率。然而，目前制备高负载量的、活性优于Pt助催化剂的廉价金属单原子/氮化碳光催化材料，尤其是禁阻能带窄、可见光吸收范围广的高负载量廉价金属单原子/氮化碳光催化材料仍是一大挑战。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种金属单原子/磷掺杂氮化碳光催化剂，尤其是禁阻能带窄、高负载量的金属单原子/磷掺杂氮化碳光催化剂的制备方法。

一种金属单原子/磷掺杂氮化碳光催化剂的制备方法，制备过程包括以下步骤：

a)尿素金属络合物的制备：将金属盐与尿素于溶剂中反应，金属盐与尿素的质量比为1:1～1:1000，得尿素金属络合物；

b)热缩聚：在惰性气氛保护下，将尿素金属络合物与氮化碳前驱体混合均匀后热缩聚；尿素金属络合物与氮化碳前驱体的质量比为1:0～1:100，得热缩聚产物；

c)磷化：将热缩聚产物与次亚磷酸盐混合均匀后在惰性气氛下热处理，热缩聚产物与次亚磷酸盐的质量比为1:0.1～1:5，得一种金属单原子/磷掺杂氮化碳光催化剂。