[发明专利]一种氮化碳量子点/亚氧化钛纳米棒复合光催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种氮化碳量子点/亚氧化钛纳米棒复合光催化剂及其制备方法和应用。该制备方法包括如下步骤：将亚氧化钛纳米棒和氮碳前驱体溶液混合，使得氮碳前驱体吸附在亚氧化钛纳米棒上，然后将亚氧化钛纳米棒于氢气气氛下进行热处理即得所述氮化碳量子点/亚氧化钛纳米棒复合光催化剂。本发明提供的复合光催化剂为将具有高比表面积和特殊的量子表面效应优势的氮化碳量子和拥有特殊的“氧空位”结构的亚氧化钛复合，不仅具有优异的光催化特性，而且具有良好的可见光响应性能；同时，氮化碳量子点和亚氧化钛纳米棒属于异质结构，亚氧化钛纳米线的一维度纳米结构能够赋予异质结构连续表面电子传输的优势，进一步提升了复合光催化剂的催化性能。

技术领域

本发明涉及光催化领域，特别涉及一种氮化碳量子点/亚氧化钛纳米棒复合光催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

氢能是化石能源的一种理想替代能源，利用半导体光催化剂，直接把太阳能转换成以H₂为载体的化学能的太阳能光解水制氢过程是最为理想和最有前途的氢能开发手段之一。寻求合适的半导体光催化剂俨然成了太阳能光解水的一项重要研究任务。目前，包括TiO₂在内的大多数无机半导体光催化剂都面临着同样的问题：(1)能隙太宽，只能响应不足太阳能辐射5％的紫外光区，对太阳能中47％的可见光利用率很低；(2)价带和导带的电位很难同时满足各种催化反应的电位需要；(3)光生电子空穴易复合，量子效率很低。因此，开发可见光响应、高效和稳定的光催化材料(例如Magnéli相“亚氧化钛”)成为该领域的关键性课题。

聚合物半导体由于原料来源丰富、价格低廉、便于分子设计，是一种理想的光催化候选材料。近年一类新型的聚合物材料“氮化碳”(g-C₃N₄)引起了全球研究者关注。特别是其优异的可见光响应光催化性能和良好的化学稳定性使其成为目前光催化领域的新宠。

但g-C₃N₄块体材料的比表面积非常低导致光催化活性不足，虽然纳米结构和多孔结构的设计一定程度提高了比表面积，但是远远未能解决活性不足的问题(例如CN112023968A)。纳米量子点是高活性的纳米结构，但稳定性欠佳，将其负载到氧化物功能载体上可以得到高活性和高稳定性的光催化材料。

因此，开发一种g-C₃N₄纳米量子点与亚氧化钛纳米棒复合材料具有重要的研究意义和应用价值。

发明内容

本发明的目的在于克服现有g-C₃N₄比表面积低及催化活性欠佳的缺陷或不足，提供一种氮化碳量子点/亚氧化钛纳米棒复合光催化剂。本发明提供的复合光催化剂为将具有高比表面积和特殊的量子表面效应优势的氮化碳量子和拥有特殊的“氧空位”结构的亚氧化钛复合，不仅具有优异的光催化特性，而且具有良好的可见光响应性能；同时，氮化碳量子点和亚氧化钛纳米棒属于异质结构，亚氧化钛纳米线的一维度纳米结构能够赋予“异质结构”连续表面电子传输的优势，进一步提升了复合光催化剂的催化性能。

本发明的另一目的在于提供一种氮化碳量子点/亚氧化钛纳米棒复合光催化剂。

本发明的另一目的在于提供上述氮化碳量子点/亚氧化钛纳米棒复合光催化剂在光催化分解水制氢中的应用。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种氮化碳量子点/亚氧化钛纳米棒复合光催化剂的制备方法，包括如下步骤：将亚氧化钛纳米棒和氮碳前驱体溶液混合，使得氮碳前驱体吸附在亚氧化钛纳米棒上，然后将亚氧化钛纳米棒于氢气气氛下进行热处理即得所述氮化碳量子点/亚氧化钛纳米棒复合光催化剂。

具有黑色光泽的TiO₂实质上为Magnéli相“亚氧化钛”，一类缺氧钛氧化物的统称，常写作Ti_nO_2n-1(4≤n≤10)，例如Ti₈O₁₅(n＝8)。