[发明专利]铜合金修饰二氧化钛/氮化碳异质结光催化剂及制备方法

说明书

一种铜合金修饰二氧化钛/氮化碳异质结光催化剂及制备方法，属于纳米材料光催化技术领域。催化剂的表达式为M_xCu/TC，其中M_xCu为铜基合金纳米粒子，M代表贵金属Au、Pt和Pd，x代表贵金属M与Cu的摩尔比，为0.25～4，铜基合金纳米粒子质量百分含量为0.1～10.0wt％，TC为具有蜂巢状类纳米片阵列形貌的二氧化碳/氮化碳异质结。该催化剂是通过沉积还原法将铜基合金纳米粒子原位固载于二氧化碳/氮化碳异质结上得到的，尺寸2～8nm的铜基合金纳米粒子高分散于蜂巢状类纳米片阵列异质结表面。优点在于，铜基合金修饰的二氧化碳/氮化碳异质结光催化剂在光解水制氢和光还原CO₂中表现出优异的活性，催化剂结构稳定，且制备工艺简便，易于实现工业化生产。

技术领域

本发明属于纳米材料光催化技术领域，特别是提供了一种铜合金修饰二氧化钛/氮化碳异质结光催化剂及制备方法。

背景技术

半导体光催化技术有望解决日益严重的能源短缺和环境污染问题。自Fujishima和Honda首次报道了TiO₂电极上的光解水反应以来(Nature，1972，23，37-38)，利用光催化剂进行太阳能转换引起了人们广泛的关注(Chemical Reviews，2014，114，9987-10043)。含高能{001}晶面的锐钛矿TiO₂({001}TiO₂)具有高的活性，是极具实际应用潜力的光催化剂之一，但其宽的带隙(E_g＝3.2eV)和快速的光生电子空穴复合限制了进一步的应用。将{001}TiO₂与窄带隙g-C₃N₄半导体复合形成异质结既能实现对可见光的利用，也能促进光生电子空穴的有效分离，提高光催化效率。

合适的助催化剂对实现催化剂的高效率是不可或缺的，特别是在光催化制氢与光催化还原CO₂过程。大量的研究表明，贵金属具有较大的金属功函数，沉积在催化剂表面可形成Schottky势垒，成为光生电子的捕获中心，促进光催化剂表面光生载流子的分离同时，作为光催化还原反应活性位点。常用的贵金属助催化剂多为Pt、Au、Pd等元素，近年来，廉价过渡金属铜与贵金属形成铜基合金助催化剂引起了人们广泛的关注，与单一贵金属助催化剂相比，铜的掺入不仅减少贵金属用量降低成本，同时合金助催化剂在提高半导体材料光催化性能中显示出更为显著的作用。Ding等(Applied Catalysis B:Environmental，2018，224，322-329)通过原位光沉积过程制备了AuCu合金修饰的CaIn₂S₄光催化剂，表现出较Au修饰的CaIn₂S₄更为优异的光催化制氢活性。Long等(Journal of theAmerican ChemicalSociety，2017，139，4486-4492)报道了在Pd_xCu₁合金助催化剂中Pd晶格中隔离的Cu原子可以提供用于增强CO₂吸附和活化的高活性位点，成对的Cu-Pd原子能够显着提高CO₂与H₂O的光催化反应的活性和选择性。Bai等(Journal of Materials Chemistry A，2017，5，6686-6694)通过一步水热法合成了PtCu合金修饰的g-C₃N₄光催化剂，该催化剂在光催化还原CO₂中显示了优异活性和CH₄生成选择性。然而迄今为止，尚未有关于铜基合金修饰二氧化钛/氮化碳异质结异质结光催化剂的报道。

因此，本发明拟通过沉积还原法制备铜基合金纳米粒子(AuCu、PtCu和PdCu)修饰的二氧化钛/氮化碳异质结。其中，粒径为2～8nm的铜基合金纳米粒子高分散于蜂巢状类纳米片阵列异质结表面。该催化剂在光解水制氢和光还原CO₂中表现出优异的催化活性。

发明内容