[发明专利]一种表面疏水氮化碳光催化剂的制备方法及其应用

说明书

本发明以三聚氰胺合成的体相氮化碳为原料，通过在四氢呋喃、碳酸钾和4‑三氟甲基卞溴的混合溶液中回流热剥离的g‑C₃N₄，开发了一种由CF₂基团修饰的疏水性石墨氮化碳光催化剂，用于增强CF₂‑TCN在空气中的亲气特性，该材料具有疏水官能团CF₂，具有表面疏水‑亲气特性，表面疏水基团充当了气体传输层，促进了气体在催化剂表面的扩散，具有显著增强的亲气性。本发明制备的含氟基团修饰的表面疏水氮化碳材料极大地促进了对CO₂气体的吸附，并且由于独特的亲气性，显著提高了该光催化材料光还原CO₂活性，并为气固相光催化体系中，增强气体反应物分子的可及性提供了一个全新的思路。

技术领域

本发明属于有机聚合物半导体材料制备领域，特别涉及一种通过含氟基团修饰在气固相光催化体系中具有疏水-亲气效应的表面疏水氮化碳光催化剂制备与光催化CO₂还原应用。

背景技术

CO₂过量排放引起的温室效应已成为困扰全人类的难题之一。为了尽早实现碳达峰，碳中和的目标，将排放的CO₂通过能源转化的方式转化成燃料能源成为了科研人员关注的焦点。通过半导体光催化技术还原CO₂为CO，甲烷等燃料气体是实现碳中和的一种有前途的策略，引起了广泛的关注。然而，光催化 CO₂还原需要半导体光催化剂表面吸附高浓度的CO₂气体，然而，鉴于CO₂的电子结构是闭壳的，CO₂在光催化剂表面的吸附性能并不理想。

幸运的是，通过模仿自然界中的荷叶效应，研究人员发现疏水材料具有水下亲气特性，为提高CO₂的可及性提供了一种新方法。可以预期，在CO₂光还原反应中引入“疏水-亲气效应”将大大增加反应物分子的可及性。受此启发，通过模仿肺泡结构设计了一种疏水性和高透气性的三相催化剂，有效地将高浓度的CO₂转移到催化剂表面，实现了高效的电催化CO₂还原性能。然而，目前对“疏水-亲气效应”的研究是指催化剂在空气中是疏水的，在水下是亲气的，这限制了该策略在液相光催化系统中的应用，而不是气固相。遗憾的是，CO₂在液相中的溶解度极低，(CO₂/H₂O~1/1300, 1atm)1，不能充分发挥催化剂的亲气优势。如何将“疏水-亲气效应”延伸到气固相反应体系，尚未有人报道。

从“疏水-亲气效应”出发，选择合适的疏水改性催化剂对于研究光催化剂在空气中的“疏水-亲气效应”具有重要意义。氮化碳（g-C₃N₄）是一种不含金属的有机聚合物半导体光催化剂，具有中等能带结构和易于调节的化学结构，适用于疏水改性。据报道，含氟基团的改性可以增强材料的疏水性。含氟基团的引入有望为g-C₃N₄光催化剂创造疏水表面，目前已有一些工作报道了对氮化碳进行疏水处理²，但是通过疏水改性使光催化材料在气固相光催化体系中具有表面亲气性尚未被报道。该工作是首次将自然界中的“疏水-亲气效应”应用到气固相光催化体系中，为增强气体反应物分子在催化剂表面的可及性提供了一个全新的思路。

发明内容