[发明专利]一种氧化亚铜纳米线阵列复合氮化碳负载铜网复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种氧化亚铜纳米线阵列复合氮化碳负载铜网复合材料及其制备方法和应用，包括如下步骤：(1)将洁净的铜纱采用恒电流在氢氧化钠溶液中阳极极化，制得Cu(OH)₂纳米线阵列/铜网；(2)将Cu(OH)₂纳米线阵列/铜网在惰性气氛保护下进行高温退火处理，制得Cu₂O纳米线阵列/铜网；(3)将类石墨相氮化碳前驱体粉末均匀地平铺在Cu₂O纳米线阵列/铜网表面，置于管式炉中，通入氮气，升温至480‑520℃保持3‑5h；待冷却后，取出样品置于水中超声处理，即得到目的产物。本发明操作过程简单，材料合成时间明显减少，可行性强。此外，该复合材料应用于光催化制取甲醇，成本低廉，制得甲醇产率高。

技术领域

本发明构建了一种基于氧化亚铜纳米线阵列复合氮化碳负载铜网(g-C₃N₄/Cu₂O纳米线阵列/铜网)复合纳米材料体系，通过光催化方法实现了对二氧化碳还原制取甲醇。

背景技术

随着全球工业化迅猛发展，由化石能源消耗导致的能源短缺和全球变暖对人类构成严重的威胁。对于人类而言，实现人工碳循环是一个棘手的全球问题。使用太阳能通过人工光合作用去实现还原二氧化碳到高附加值太阳能源被认为是高效而有望的策略去解决能源危机和环境污染。自从1979年，井上等人首次报道光催化还原二氧化碳。从那以后，大量的如：TiO₂,ZnO,CdS,WO₃和ZnGe₂O₄等光催化剂已被广泛研究。在各种用于光转化二氧化碳的半导体材料中，由于氧化亚铜具有合适的带隙(～2.0eV)和较高的导带，这赋予其吸收可见光的能力并产生高能电子用于光催化还原二氧化碳。虽然氧化亚铜作为潜在的候选者用于光催化还原二氧化碳，但是有限的光生载流子传输和分离能力以及由于自身存在的光刻蚀而导致较差的光稳定性限制其进一步发展。

众所周知，纳米材料技术是在纳米尺度上构建功能化材料。一维纳米材料具有相对短的径向传输距离，这促进光生电子和空穴分离。组装一维纳米线到三维纳米线阵列进一步增强材料性质，这不仅有益于提高可见光捕获效率，而且有益于延伸载流子扩散通道。因此，应用三维氧化亚铜纳米线阵列去光催化二氧化碳还原具有重要意义。

为了进一步增强光生电子和空穴的传输和分离效率，采用复合结构调控是一种有效的方式。全固态直接Z型光催化剂具有更宽的光响应范围，更大的比表面积和更多的活性位点，这促进光生载流子的分离与迁移，从而提升材料的光催化性能。处于内建电场，光生电子从一种催化剂(PSⅡ)的导带转移到另一种光催化剂(PSⅠ)的价带，并与价带的空穴复合。在PSⅠ导带的光生电子参与光催化还原反应，同样地，在PSⅡ价带的光生空穴参与光催化氧化反应。类石墨相氮化碳(g-C₃N₄)是一种聚合物半导体，具有优异的化学稳定性和独特的能带结构(2.7eV)。它是一种廉价而稳定的可见光催化剂并广泛地用于太阳光催化转化。因此，这是一种新奇的策略去用g-C₃N₄薄膜封装p型氧化亚铜纳米线阵列，因为不仅构建全固态Z型结构去提高光激发电子和空穴分离效率，而且形成g-C₃N₄保护层去阻止氧化亚铜光刻蚀。因此，g-C₃N₄/Cu₂O纳米线阵列/铜网用于光催化还原二氧化碳制甲醇的研究具有重要意义。