具有三配位氮空位氮化碳纳米材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及光催化剂技术领域，尤其涉及具有三配位氮空位氮化碳纳米材料光催化剂及其制备方法和应用。所述纳米材料为片层状石墨相氮化碳结构，三配位氮空位被引入到氮化碳结构，其中，所述三配位氮空位是指石墨相氮化碳纳米片的庚嗪单元骨架中的三配位氮原子缺失。本发明专利技术制得的具有三配位氮空位氮化碳纳米材料光催化剂是无贵金属的高效光催化剂。该光催化剂能够有效促进光生电子的传输和光生电子空穴对的分离，实现显著地光催化产氨效果，具有高效的光催化活性。有高效的光催化活性。有高效的光催化活性。

【技术实现步骤摘要】
具有三配位氮空位氮化碳纳米材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于光催化剂
，具体为涉及具有三配位氮空位氮化碳纳米材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]公开该
技术介绍
部分的信息仅仅旨在增加对本专利技术的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
[0003]能源危机和环境污染是当今人类面临的两大重要挑战。氨被认为是解决未来的能源和环境危机的重要的清洁化工资源。氨不仅广泛应用于现代生产和生活中，还被用作清洁能源载体和燃料。但是，用于工业固氮的Haber
‑
Bosch工艺需要苛刻的反应条件，会消耗巨大的能量并释放大量的二氧化碳。光催化是将太阳能转化为化学能的最理想和最环保的技术之一，具有巨大的应用价值。在清洁化学资源(氨)的生产中具有重要意义，有望解决目前合成氨的障碍。
[0004]在众多光催化材料中，石墨相氮化碳是一种二维层状结构，具有独特的电子结构、可调谐的光学性质，被广泛用于光催化氧化还原反应。但是，石墨相氮化碳的光催化活性受到光生载流子复合率高、光捕获效率低和活性位点不足的限制。石墨相氮化碳的缺陷工程(碳和氮空位)是一种可以有效提高光催化性能的策略。具体而言，石墨相氮化碳中的氮空位可以加速光生载流子的转移，提供足够的反应位点来改善反应物的吸附，并降低光化学反应的活化能或过电位。重要的是，不同位置的氮空位对光催化性能表现出不同的影响。有助于提高石墨相氮化碳光催化性能的氮缺陷主要有末端氨基和双配位氮空位，其中末端氨基可以促进光生载流子分离，而双配位氮空位可以缩小带隙并提高光吸收。但是，专利技术人发现，关于三配位氮空位对石墨相氮化碳光催化性能的作用的相关报道仍然很少。

技术实现思路

[0005]为了解决现有石墨相氮化碳光催化材料存在的光生载流子复合率高、光捕获效率低和活性位点不足的技术问题。本专利技术的目的是提供一种具有三配位氮空位氮化碳纳米材料光催化剂及其制备方法和应用。本专利技术制得的具有三配位氮空位氮化碳纳米材料可以实现优异的光催化产氨活性，是一种高效光催化剂。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]本专利技术的第一个方面，提供了一种具有三配位氮空位氮化碳纳米材料的制备方法，包括：
[0008]将乙酸铵和尿素粉末充分研磨，制得混合液；
[0009]将所述混合液转移到坩埚中，于500
‑
600℃下煅烧1
‑
3h，得到具有三配位氮空位氮化碳纳米材料光催化剂；
[0010]其中，乙酸铵与尿素的用量比为0.1
‑
0.5：1
‑
15。
[0011]本专利技术的第二个方面，提供了上述的方法制备的具有三配位氮空位氮化碳纳米材料，三配位氮空位位于石墨相氮化碳纳米片的庚嗪单元骨架中的三配位氮原子处。
[0012]本专利技术的第三个方面，提供了上述的具有三配位氮空位氮化碳纳米材料在光催化产氨中的应用。
[0013]本专利技术的有益效果
[0014](1)本专利技术的具有三配位氮空位氮化碳纳米材料光催化剂，引入三配位氮空位的氮化碳光催化产氨速率达到了1903μmol h
‑1g
‑1，是纯石墨相氮化碳纳米片的9.4倍。
[0015](2)本专利技术制备的具有三配位氮空位氮化碳纳米材料光催化剂，与纯的石墨相氮化碳纳米片相比，三配位氮空位的存在可以调节能带结构，缩小带隙，增强光捕获能力；其次，三配位氮空位可以作为光生电子的陷阱态，促进光生电子和空穴对的分离和转移；第三，三配位氮空位可以作为活性中心，促进氮气分子的吸附和活化。
[0016](3)本专利技术通过热解法制备具有三配位氮空位氮化碳纳米材料光催化剂，合成工艺及设备简单，操作过程简单，生产成本低、效率高，重复性好，工业化应用前景好。制得的具有三配位氮空位氮化碳纳米材料，可以实现光催化产氨双活性，是一种高效稳定的高效光催化剂。
附图说明
[0017]构成本专利技术的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示例性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。
[0018]图1为实施例4中制得的具有三配位氮空位氮化碳纳米材料光催化剂的扫描电镜图。
[0019]图2为实施例4中制得的具有三配位氮空位氮化碳纳米材料光催化剂的透射电镜图。
[0020]图3为实施例1、2、3、4、5、6中制得的具有三配位氮空位氮化碳纳米材料光催化剂的光学图片。
[0021]图4为实施例1、2、3、4、5、6中制得的具有三配位氮空位氮化碳纳米材料光催化剂在紫外可见光吸收强度的对比图。
[0022]图5为实施例1、2、3、4、5、6中制得的具有三配位氮空位氮化碳纳米材料光催化剂在模拟太阳光照射下的光催化产氨(a)和速率图(b)。
具体实施方式
[0023]应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本专利技术提供进一步的说明。除非另有指明，本专利技术使用的所有技术和科学术语具有与本专利技术所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0024]正如
技术介绍
所介绍的，目前石墨相氮化碳光催化材料存在光生载流子复合率高、光捕获效率低和活性位点不足的技术问题，因此，本专利技术提供了一种具有三配位氮空位氮化碳纳米材料光催化剂及其制备方法和应用。
[0025]在本专利技术的一种实施方式中，提供了一种具有三配位氮空位氮化碳纳米材料光催化剂，三配位氮空位位于石墨相氮化碳纳米片的庚嗪单元骨架中的三配位氮原子处。其中，
煅烧时乙酸铵与尿素会发生酰化反应生成酰胺化合物，酰胺化合物在煅烧过程中会释放出大量的气态产物(二氧化碳和氨气)，氨气在三配位氮空位的构建中起着至关重要的作用，而气体和体积收缩会在氮化碳纳米片层中产生许多孔隙以形成多孔结构。本专利技术的光催化剂结合可增强石墨相氮化碳纳米片的光催化性能，并实现高效的光催化产氨活性。
[0026]下述实施例中，采用的原料包括：乙酸铵和尿素。
[0027]所使用的设备包括：用于混合的研钵、马弗炉、扫描电子显微镜、透射电镜、分光光度计和光催化活性评价系统。
[0028]在一些实施例中，以乙酸铵的质量计，乙酸铵＝0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5g；优选的，乙酸铵＝0.3g，此时的光催化剂性能达到最优。
[0029]在一些实施例中，石墨相氮化碳纳米片是超薄多孔结构。
[0030]本专利技术制备的具有三配位氮空位氮化碳纳米材料光催化剂，具有更窄的带隙、增强的光收集效率、更快的光生载流子分离和转移效率，具有高效的光催化性能。
[0031]在本专利技术的一种实施方式中，提供了一种具有三配位氮空位氮化碳纳米材料光催化剂的制备方法，包括：
[0032]将乙酸铵和尿素粉末充分研磨制备混合物；
[0033]将混合物转移至坩埚中放于马弗炉煅烧，得到具有三配位氮空位氮化碳纳米材料光催化剂。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有三配位氮空位氮化碳纳米材料的制备方法，其特征在于，包括：将乙酸铵和尿素粉末充分研磨，制得混合液；将所述混合液转移到坩埚中，于500
‑
600℃下煅烧1
‑
3h，得到具有三配位氮空位氮化碳纳米材料光催化剂；其中，乙酸铵与尿素的用量比为0.1
‑
0.5：1
‑
15。2.如权利要求1所述的具有三配位氮空位氮化碳纳米材料的制备方法，其特征在于，所述乙酸铵的加入量为0.1、0.2、0.3、0.4或0.5g。3.如权利要求1所述的具有三配位氮空位氮化碳纳米材料的制备方法，其特征在于，所述尿素的用量为1
‑
15g。4.如权利要求3所述的具有三配位氮空位氮化碳纳米材料的制备方法，其特征在于，所述尿素的用量为...

【专利技术属性】
技术研发人员：田健，薛艳君，王鑫宇，安杉娜，崔洪芝，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：