[发明专利]一种金属卟啉功能化的石墨烯量子点/氮化硼复合光催化材料在光解水制氢中的应用

说明书

本发明涉及一种金属卟啉功能化的石墨烯量子点/氮化硼复合光催化材料在光解水制氢中的应用，属于光催化制氢技术领域。本发明的光催化材料以金属卟啉作为光敏剂，石墨烯量子点为电子转移剂，将金属卟啉共价接枝于石墨烯量子点，并原位负载于二维氮化硼纳米片上。利用石墨烯量子点的大的比表面和高电子转移性能以及带负电荷的氮化硼纳米片的空穴吸收性能，提升光敏剂金属卟啉在光照条件下激发的电子‑空穴的分离效率，从而提升光催化材料的光催化效率。将上述三元体系光催化材料用于光解水制氢，各组分间能够发挥优异的协同作用，光照6个小时后的产氢量可高达1.15μmol/mg，具有潜在的应用价值。

技术领域

本发明涉及一种金属卟啉功能化的石墨烯量子点/氮化硼复合光催化材料在光解水制氢中的应用，属于光催化制氢技术领域。

背景技术

氢能是一种绿色可持续的清洁能源。在多种氢能的制备方法中，通过光催化法将太阳能转换为氢能的研究受到国内外研究者的广泛关注，其中光催化剂因与制氢效率息息相关而成为研究者主要关注的目标。

卟啉是卟吩外环带有取代基的同系物和衍生物的总称，在生物体内具有电子传递、氧转移和电荷分离等功能。卟啉类化合物在可见光区和近红外区有较好的吸收，强吸收的Soret带，吸收光谱范围一般在400-450nm；弱吸收的Q带，吸收光谱范围一般在500-750nm。此外，卟啉类化合物还具有优良的载流子传输性能。卟啉性质稳定，熔点一般大于300℃，因此，可以作为性能稳定的可见光光催化剂使用。石墨烯是由sp2杂化碳原子组成的二维网状的超薄单层，由于石墨烯大的比表面积，优越的吸附性能和电荷转移性能，常作为光催化剂的电子转移剂与光催化剂复合。卟啉与石墨烯的电子结构互补，而且卟啉的光学、电学性质等易通过调整卟啉分子中的金属中心来调节。因此，以卟啉分子作为功能单元与石墨烯组装，反应方式更加灵活，且能精细地调控石墨烯基光催化剂的微观结构和性能。

石墨烯量子点（Graphene quantum dots，GQDs），可以看做是横向尺寸小于100 nm的石墨烯，严格意义上来讲，是尺寸在20 nm以下，拥有1-3层原子层的准零维材料。相比之下，GQDs不仅具备了石墨烯的优异特性，而且作为准零维材料，它的量子限域效应以及边缘效应则会更加的凸显出来。除此之外，GQDs还拥有更大的比表面积、更大的机械强度和更高的电子迁移率。

六方氮化硼（H-BN）具有类似石墨的层状结构，具备独特的物理化学性质，如高化学稳定性、低介电常数、大的热导率以及无毒性。更重要的是，当BN被剥离成二维纳米片时，BN将具有电负性。带负电荷的BN纳米片能够吸引光激发空穴并提高光激发电子空穴对的分离效率。理论和实验工作证实，BN的负电荷源于与氮空位或碳杂质相关的稳定缺陷。

基于上述技术认知，本发明开发了一种金属卟啉功能化的石墨烯量子点/氮化硼复合光催化材料，并将其用于光解水制氢。上述光催化材料以金属卟啉作为光敏剂，石墨烯量子点为电子转移剂，将金属卟啉共价接枝于石墨烯量子点，并原位负载于二维氮化硼纳米片上。利用石墨烯量子点的大的比表面和高电子转移性能以及带负电荷的氮化硼纳米片的空穴吸收性能，提升光敏剂金属卟啉在光照条件下激发的电子-空穴的分离效率，从而提升上述光催化材料的光催化效率。将上述光催化材料用于光解水制氢，各组分间能够发挥优异的协同作用，提高光催化材料的产氢效率，存在潜在的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种金属卟啉功能化的石墨烯量子点/氮化硼复合光催化材料在光解水制氢中的应用，具体为：

将所述光催化材料加入光解水制氢的反应器皿中，并以氙灯作为光源，进行光解水制氢反应；所述光催化材料以金属卟啉作为光敏剂，石墨烯量子点为电子转移剂，二维氮化硼纳米片为载体，将金属卟啉共价接枝于石墨烯量子点，并负载于二维氮化硼纳米片上。

进一步的，所述金属卟啉中的配位金属选自Ni、Cu、Cr、Zn。

进一步的，所述金属卟啉功能化的石墨烯量子点/氮化硼复合光催化材料的制备方法，包括如下的制备步骤：