[发明专利]一种共价有机框架-氮化碳纳米片杂化光催化析氢材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种共价有机框架‑氮化碳纳米片杂化光催化析氢材料及其制备方法和应用，所述制备方法包括以下步骤：(1)将原料对甲苯磺酸PTSA、对苯二胺Pa‑1和1,3,5‑三甲基间苯三酚Tp一起研磨，滴加去离子水，然后加热，冷却，洗涤，干燥，研磨得TpPa‑1‑COF；(2)将尿素在空气气氛中升温，保温煅烧，研磨后得到g‑C₃N₄，将其分散到有机溶剂中，得到g‑C₃N₄纳米片分散液g‑C₃N₄NS分散液；(3)将上述所得TpPa‑1‑COF与g‑C₃N₄NS分散液加入到有机溶剂中，加热，冷却，洗涤，干燥，即得所述共价有机框架‑氮化碳纳米片杂化光催化析氢材料TpPa‑1‑COF/g‑C₃N₄NS。本发明材料杂化后形成的异质结结构和π‑π共轭作用，可以有效的分离光生电子‑空穴对，在增加了可见光响应的同时，也显著提高光催化性能。

技术领域

本发明属于析氢光催化剂技术领域，具体涉及一种共价有机框架-氮化碳纳米片杂化光催化析氢材料及其制备方法和应用。

背景技术

太阳能驱动的光催化分解水制氢(H₂)因其具有环保、可有效利用太阳能及低成本的优势被认为是缓解当前能源危机最有希望的方法之一。因此，开发清洁无污染的可见光催化材料引起了国内外研究的极大兴趣。

二维(2D)共价有机框架(Covalent Organic Framework，简称COF)作为一类新兴的通过共价键与有机分子链接的多孔晶体材料，引起了人们的广泛关注。COF优异的光催化性能应归功于其多孔结构、宽捕光能力和相邻层的之间π-π相互作用。也正是由于层间的π-π共轭作用，其2D晶体特征才可以增强界面之间的电荷迁移和转移。

石墨相氮化碳(Graphitic carbon nitride，简称g-C₃N₄)作为一种廉价丰富、化学可调性的2D层状聚合物光催化剂，在光催化分解水方面有一定的应用潜力。然而，与大多数聚合物光催化剂一样，由于低比表面积，以及g-C₃N₄中的光生载流子迁移率较差，g-C₃N₄光催化产氢效率受到一定限制。

因此，为了有效提高光催化效率和电荷分离，以及增加比表面积，开发具有π-π共轭相互作用的二维/二维(2D/2D)复合异质结是提高光催化活性的最有效策略之一。

近年来，科研人员通过将C₃N₄与其他化合物复合，构筑异质结的方法来增加其比表面积和光催化反应活性。如申请号为CN201910011275.8的中国发明专利，公开了一种2D/2DC₃N₄/Ni(OH)₂光催化剂的制备方法。通过C₃N₄与Ni(OH)₂的复合，不仅增加了光催化剂的比表面积，更使得C₃N₄和Ni(OH)₂之间产生相互协同作用，促使光生载流子转移以及加速光生电子空穴对的分离，实现可见光照射下持续稳定分解水产氢。申请号为CN202010516027.1的中国发明专利中公开了一种CdS/g-C₃N₄异质结光催化剂。该种异质结光催化剂因具有丰富的孔隙结构和空穴结构，比表面积更大，为光生电子提供了传输通道，界面之间形成异质结结构和内建电场，产生大量分离的光生电子和空穴，从而实现了高效率的光催化产氢。四川大学鄢洪建课题组合成了一种氮化碳-共价有机骨架(CNS-COF)复合材料。通过合理调整块状氮化碳，获得了缺陷显著减少的CNS。随后通过化学键对CNS和COF进行修饰，不仅可以钝化边界区域的氮化碳表面终端，而且还可以在这两个组分之间建立强电子耦合。因此，在得到的CNS–COF复合材料上实现了电荷分离并增强光催化活性(Small,2020,16(20):2001100)。