具有原子级通道的异质结复合光催化剂及制备方法和用途技术

本发明专利技术属于光催化技术领域，具体公开了一种具有原子级通道的异质结复合光催化剂及制备方法和用途。该催化剂由磷掺杂的氮化碳P

Heterojunction composite photocatalyst with atomic channel and its preparation method and Application

【技术实现步骤摘要】
具有原子级通道的异质结复合光催化剂及制备方法和用途


[0001]本专利技术属于光催化
，涉及一种具有原子级通道的异质结复合光催化剂的制备方法及应用。

技术介绍

[0002]能源危机和日益严重的环境污染问题是目前人类生存和发展面临的严峻挑战，在化石能源日益枯竭的今天，各种可再生能源的开发利用受到了国际社会的高度重视。太阳能以其取之不尽、用之不竭、无污染、便利等特点成为了国内外学术界、产业界高度关注的新能源研究、发展领域。利用太阳能生产清洁、高效、可持续的绿色能源是实现“双碳”目标的一种重要解决方案。光催化技术可以直接利用太阳能，通过分解水制取绿色氢能，或将二氧化碳转化为液态燃料，是实现太阳能转化的理想途径。
[0003]作为一种非金属型光催化剂，石墨相氮化碳C3N4因具有合成方法简单、优异的载流子迁移率、高的热及化学稳定性、平面二维层状结构等优点，在光催化领域受到广泛的关注。对于单组分C3N4光催化剂而言，虽然可以通过调控其尺寸、维度、晶化度、和缺陷等来促进光生电荷的分离，但是其调控程度仍受限于单组分本身的限制，光生载流子的复合几率高，导致光催化效率偏低。
[0004]在光催化反应中，产生的光生电子和光生空穴需要抵抗库仑力从光催化剂体相迁移至表面活性位点以参与催化反应。然而，体相电荷的复合速度远快于其分离速度，这对光催化反应过程极其不利。因此，迫切需要原子级电荷分离策略来促进纳米尺度光生电荷传递以及空间分离过程，使更多的电子和空穴从光催化剂体相迁移至表面。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的之一是提供一种具有原子级通道的异质结复合光催化剂，该复合催化剂通过原子级通道能够有效促进光生电荷的迁移、传输，并降低载流子的复合几率、增强C3N4的光吸收能力，从而提高C3N4的光催化性能，具有光谱响应范围宽、光催化性能高的特点。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用了以下技术方案：一种具有原子级通道的异质结复合光催化剂，由磷掺杂的氮化碳P
‑
C3N4和负载在P
‑
C3N4表面上的过渡金属磷化物组成，所述P
‑
C3N4和过渡金属磷化物之间形成金属
‑
P
‑
N键合作用，所述过渡金属磷化物为单一过渡金属磷化物或两种以上过渡金属的磷化物。
[0007]作为具有原子级通道的异质结复合光催化剂进一步的改进：
[0008]优选的，所述过渡金属磷化物在光催化剂中的含量为0.1
‑
20wt％，所述磷掺杂的氮化碳P
‑
C3N4中磷的掺杂量为0.1
‑
10wt％。
[0009]优选的，所述过渡金属磷化物为Fe2P、Co2P、Ni2P、FeCoP、CoNiP、FeNiP中的一种或两种以上的组合。
[0010]本专利技术的目的之二是提供一种上述具有原子级通道的异质结复合光催化剂的制
备方法：包括如下步骤：
[0011](1)将含有磷元素的前驱体粉末加入到石墨相氮化碳C3N4粉末中，充分研磨，在含氢气的等离子体作用下进行放电反应，反应结束后收集粉体并用乙醇和去离子水洗涤，烘干得到磷掺杂的氮化碳粉体即P
‑
C3N4粉体；
[0012](2)将步骤(1)制得的P
‑
C3N4粉体与水溶性过渡金属盐、含有磷元素的前驱体混合，加入去离子水，在水浴条件下充分搅拌，然后冷冻干燥得到混合粉体；
[0013](3)将步骤(2)的混合粉体在含氢气的等离子体作用下进行放电反应，反应结束后，收集粉体并用乙醇和去离子水洗涤，烘干得到过渡金属磷酸盐@P
‑
C3N4复合光催化剂。
[0014]作为具有原子级通道的异质结复合光催化剂的制备方法进一步的改进：
[0015]优选的，步骤(1)中所述含有磷元素的前驱体粉末为正磷酸、焦磷酸、亚磷酸、次磷酸及相应的水溶性盐类中的一种或两种以上的组合。
[0016]优选的，步骤(1)和(3)中所述含氢气的等离子体为纯氢气等离子体，或者为氢气与惰性气体的混合气体等离子体。
[0017]优选的，步骤(1)和(3)中所述放电反应的功率为50
‑
200W，放电时间为10
‑
60min，气压为5
‑
10Pa。
[0018]优选的，步骤(2)中所述水溶性过渡金属盐为过渡金属的氯化物、硝酸盐、硫酸盐、亚硫酸盐中的一种或两种及以上。
[0019]优选的，步骤(2)中所述水浴条件的温度为50
‑
100℃，水浴时间为0.5
‑
12h。
[0020]本专利技术的目的之三是提供一种上述具有原子级通道的异质结复合光催化剂在光解水制氢中的用途。
[0021]本专利技术相比现有技术的有益效果在于：
[0022]具有异质结的复合光催化剂能有效改善单一光催化剂光谱响应范围窄、光催化效率低的不足。复合光催化剂中不同组分的界面是控制光催化性能的一个重要参数,它会影响光生载流子在复合材料中的转移。光生电荷在异质结界面处的有效分离和迁移，是构筑高效异质结光催化剂的关键。
[0023]本专利技术提供了一种由过渡金属磷酸盐负载磷掺杂氮化碳P
‑
C3N4的复合光催化剂。在过渡金属磷酸盐@P
‑
C3N4复合光催化剂中，非金属元素磷的掺杂可以降低氮化碳的禁带宽度、吸收更多的可见光，抑制载流子的复合几率，提高氮化碳的光催化性能。同时，过渡金属磷化物与P
‑
C3N4之间会形成金属
‑
P
‑
N键合作用，该配位键可以为光催化反应提供原子级的电荷传输通道。在可见光照射下，P
‑
C3N4产生光生电子和光生空穴，光生电荷会沿着原子级金属
‑
P
‑
N通道快速传输到过渡金属磷化物表面。相比过渡金属磷化物与P
‑
C3N4的物理混合，原子级光生电荷传输通道能加速光生载流子的分离和迁移，有效抑制光生载流子的复合，从而大幅增强磷掺杂氮化碳的光催化性能。
[0024]本专利技术具有原子级金属
‑
P
‑
N通道的过渡金属磷酸盐@P
‑
C3N4复合光催化剂在可见光下表现出优异的光催化性能，包括光解水制氢、光催化还原CO2等，是一类非常具有潜力的新型光催化材料。
附图说明
[0025]图1所示为实施例1制备的C3N4、P
‑
C3N4和Fe2P@P
‑
C3N4的X射线衍射谱图。
[0026]图2为实施例2制备的1wt％Co2P负载的Co2P@P
‑
C3N4复合光催化剂的TEM图片。
[0027]图3为Co2P和1wt％Co2P负载的Co2P@P
‑
C3N4复合光催化剂中Co的XPS谱图。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有原子级通道的异质结复合光催化剂，其特征在于，由磷掺杂的氮化碳P
‑
C3N4和负载在P
‑
C3N4表面上的过渡金属磷化物组成，所述P
‑
C3N4和过渡金属磷化物之间形成金属
‑
P
‑
N键合作用，所述过渡金属磷化物为单一过渡金属磷化物或两种以上过渡金属的磷化物。2.根据权利要求1所述的具有原子级通道的异质结复合光催化剂，其特征在于，所述过渡金属磷化物在光催化剂中的含量为0.1
‑
20wt％，所述磷掺杂的氮化碳P
‑
C3N4中磷的掺杂量为0.1
‑
10wt％。3.根据权利要求1或2所述的所述具有原子级通道的异质结复合光催化剂，其特征在于，所述过渡金属磷化物为Fe2P、Co2P、Ni2P、FeCoP、CoNiP、FeNiP中的一种或两种以上的组合。4.一种权利要求1或2或3所述具有原子级通道的异质结复合光催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将含有磷元素的前驱体粉末加入到石墨相氮化碳C3N4粉末中，充分研磨，在含氢气的等离子体作用下进行放电反应，反应结束后收集粉体并用乙醇和去离子水洗涤，烘干得到磷掺杂的氮化碳粉体即P
‑
C3N4粉体；(2)将步骤(1)制得的P
‑
C3N4粉体与水溶性过渡金属盐、含有磷元素的前驱体混合，加入去离子水，在水浴条件下充分搅拌，然后...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁建军，陈林，张献，田兴友，
申请(专利权)人：安徽工业技术创新研究院，
类型：发明
国别省市：