[发明专利]基于石墨相氮化碳的异质结材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于石墨相氮化碳的异质结材料及其制备方法。所述方法采用高温煅烧法制备氨基化的石墨相氮化碳，再利用超声剥离法制备氨基化的石墨相氮化碳纳米片，并采用化学剥离法获得羧基化的超薄共价三嗪聚合物悬浮液，最后将氨基化的石墨相氮化碳纳米片与羧基化的超薄共价三嗪聚合物悬浮液混合煅烧，合成了CTF/CNNS的异质结材料。本发明制备成本低，工艺简单，制备的CTF/CNNS的异质结材料具有优异的光催化产氢性能。

技术领域

本发明属于光催化材料技术领域，涉及一种基于石墨相氮化碳的异质结材料及其制备方法。

背景技术

氢能作为二次能源，具有清洁、高效、安全、可贮存、可运输等优点，被认为是一种最理想的新世纪无污染的绿色能源。光催化技术作为一项绿色环保、经济可行的处理技术，能充分利用光催化剂将低密度的太阳能转化为可储存的高密度的氢能，是高效可持续生产氢气的方法之一。Khan等提出了光催化分解水制氢的材料需要满足：高稳定性，不产生光腐蚀；价格便宜；能够满足分解水的热力学要求；能够吸收太阳光(Science,2002,5590:2243-2245)。

石墨相氮化碳(CN)具有类似石墨的片层结构，其片层以3-三嗪环(庚嗪环)为基本结构单元，环之间通过末端的N原子相连，形成一层无限扩展的平面。石墨相氮化碳具有对可见光响应、制备简单、稳定性好等优点。但因其对阳光利用率低、比表面积低、载流子迁移率低、矿化率低等缺点限制了它的应用(J.Photoch.Photo.A:Chem.,2013,253:16-21)。Chai等在石墨相氮化碳表面沉积上1％的Pt，载Pt之后石墨相氮化碳光解水产氢的速率是原先的11倍(Phys.Chem.Chem.Phys.,2012,14:16745-16752)。但贵金属Pt价格昂贵，成本高。因此，开发具有可见光响应的、稳定性高、成本低的光催化剂是目前亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种成本低廉、工艺简单、光催化产氢性能优异的基于石墨相氮化碳的异质结材料(CTF/CNNS)及其制备方法。

实现本发明目的的技术解决方案如下：

基于石墨相氮化碳的异质结材料的制备方法，具体步骤如下：

步骤1，将石墨相氮化碳和碳酸铵在450～600℃下煅烧，得到氨基化的石墨相氮化碳，然后分散在水中，超声剥离得到氨基化的石墨相氮化碳薄片(CNNS)；

步骤2，将氨基化的CNNS与羧基化的超薄共价三嗪聚合物(CTFNS)悬浮液混合均匀，在150～300℃下煅烧，煅烧结束后，离心清洗得到基于石墨相氮化碳的异质结材料(CTF/CNNS)。

优选地，步骤1中，所述的石墨相氮化碳和碳酸铵的质量比为1:20。

优选地，步骤1中，所述的煅烧温度为550℃。

优选地，步骤1中，所述的煅烧时间为2～4h。

优选地，步骤1中，所述的超声时间为10h以上。

优选地，步骤2中，所述的羧基化的超薄CTFNS与氨基化的CNNS的质量比为1～3:10，更优选为2:10。

优选地，步骤2中，所述的羧基化的超薄CTFNS悬浮液通过以下步骤制得：在氮气下，将4,4'-联苯二甲腈和CF₃SO₃H混合均匀，在100～120℃反应下得到CTF，再加入浓硫酸，在160～180℃下反应得到羧基化的超薄CTFNS悬浮液。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明的CTF/CNNS光催化剂能够提供更多的活性位点，扩大了光吸收范围，促进了光生电子空穴对的分离，提高了催化剂的光催化性能，极大的促进了光催化产氢能力。

附图说明