[发明专利]一种氮化碳纳米片负载钒酸铟量子点光催化剂及其制备和应用

说明书

本发明涉及一种氮化碳纳米片负载钒酸铟量子点光催化剂及其制备和应用，该催化剂的制备方法具体为：(1)取四水合三氯化铟和正钒酸钠分别溶于去离子水中，得到氯化铟水溶液和正钒酸钠水溶液，再将氯化铟水溶液滴加到正钒酸钠水溶液中，调节pH至澄清，得到InVO₄前驱体溶液；(2)取g‑C₃N₄超声分散到InVO₄前驱体溶液中，水热反应，所得产物离心、洗涤、干燥，即得到目的产物。与现有技术相比，本发明制得的催化剂具有较宽的光吸收范围，其在可见光下还原CO₂能力极大提高，且表现出优异的将CO₂还原为一氧化碳的选择性，同时该光催化剂具有低电阻率，快速转移载流子的能力，高光生载流子分离能力，低载流子重组率，以及良好的还原CO₂循环稳定性等特点等。

技术领域

本发明属于光催化材料技术领域，涉及一种氮化碳纳米片负载钒酸铟量子点光催化剂及其制备和应用。

背景技术

随着工业化的快速发展和人口的增长，全球范围内对能源消耗的需求不断增加，这主要是通过大规模消耗不可再生的化石燃料来解决的，导致过量的CO₂产生。大量的CO₂排放导致大气中的CO₂浓度从工业革命前的280ppm增加到2019 年的410ppm以上，引起了公众对全球变暖问题的关注。全球平均温度已从工业化前的水平升高了1℃以上，对一系列环境和人类学问题产生了不利影响。因此，至关重要的是要大大减少CO₂的排放。在模拟自然光合作用的过程中，通过光催化剂将光合作用中的CO₂和H₂O转化为化学物质和燃料被认为是减少大气中CO₂排放的最有前途的方法之一，有助于缓解气候变化，同时提供可再生燃料。利用太阳光将CO₂转化为燃料，有望同步解决全球变暖和能源匮乏的两大问题。因此，设计高效的光催化剂至关重要。高效的光催化剂需要具备强大的光捕获能力、强大的氧化还原潜力、高电荷分离以及优异的循环性能。因此研究人员致力于寻找高性能、低成本的光催化剂，用于还原CO₂。

以H₂O为电子源的太阳能光催化CO₂转化技术面临的两个主要问题是效率低和产物选择性不足，特别是对高附加值化学品的选择性不足。除了反应的高吸热性外，低产出率的主要原因包括使用的光催化剂为宽禁带半导体，这种半导体通常能够获得仅相当于太阳光谱～4％的紫外光，同时具有较高的电子-空穴复合速率。此外，常见的可见光催化剂，如二氧化钛、硫化物、硒化物、碳化物或氮化物，由于反应介质中的光腐蚀作用，不能满足同时进行CO₂还原和H₂O氧化所需的热力学势，或者在反应条件下存在严重的稳定性问题。目前，尽管在光照下可直接使用半导体光催化剂还原CO₂，但效率以及选择性依然很低。

石墨化氮化碳(g-C₃N₄)是一种聚合物半导体，具有出色的化学稳定性和独特的能带结构(2.7eV)，是一种廉价且稳定的可见光响应型催化剂，已广泛用于太阳能光催化转化中。但g-C₃N₄有以下问题限制了其应用：(1)可见光吸收差，(2) 光诱导产生的电子-空穴对极易重组，(3)比表面积小，且活性位点有限。

本发明正是为了解决上述问题而提出的。

发明内容

本发明的目的就是为了提供一种氮化碳纳米片负载钒酸铟量子点光催化剂及其制备和应用，解决上述的氮化碳作为光催化材料存在的有限吸光范围、表面活性位点少、光生载流子极易重组等所引发的光催化还原CO₂性能差的技术问题，所制得的催化剂具有较宽吸光范围，光吸收边沿可以达到600nm，载流子不易重组，在λ420nm的模拟太阳光照射下，还原为CO速率最高可达69.8μmol·h^-1·g^-1。