本發(fā)明公開了一種碳二氮調(diào)控金摻雜石墨相氮化碳內(nèi)建電場的制備方法及其應(yīng)用，屬于納米材料制備領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

1、近世紀(jì)來，人類社會飛速發(fā)展，化石燃料資源消耗嚴(yán)重，造成的資源短缺以及環(huán)境污染不可估量。尋找清潔可再生的綠色能源已成為全世界迫在眉睫的任務(wù)。新型的半導(dǎo)體光催化技術(shù)是一種利用半導(dǎo)體將太陽能轉(zhuǎn)換為高能化學(xué)能的綠色技術(shù)，在可再生清潔能源生產(chǎn)和污染物修復(fù)領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用前景。

2、石墨相氮化碳（g-c3n4），作為一種由c、n元素通過sp2雜化形成的二維層狀材料，因其獨特的電子結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，在光催化、電催化、能量存儲等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。然而通過高溫?zé)峥s聚反應(yīng)制備的g-c3n4尺寸大、易團聚、比表面積小、量子效率低、光吸收范圍小、光生載流子復(fù)合率高等，嚴(yán)重限制了其應(yīng)用。近年來，隨著納米技術(shù)和材料科學(xué)的快速發(fā)展，研究者們不斷探索g-c3n4的改性方法，以期進一步提升其性能，拓寬其應(yīng)用范圍。內(nèi)建電場是半導(dǎo)體材料中由于不同區(qū)域電荷分布不均而產(chǎn)生的電場，對材料的電子傳輸和催化性能有重要影響。通過調(diào)控g-c3n4的內(nèi)建電場，可以進一步優(yōu)化其催化性能，提高反應(yīng)效率。yang等人利用堿金屬鹽（kcl+nacl）輔助多前驅(qū)體（三聚氰胺+硫脲+尿素）共熱聚合技術(shù)，實現(xiàn)了在g-c3n4共軛平面內(nèi)構(gòu)建結(jié)構(gòu)起伏（即產(chǎn)生的電勢差）來誘導(dǎo)定向強內(nèi)建電場，構(gòu)建了多級結(jié)構(gòu)單元g-c3n4分子間同質(zhì)結(jié)，從而極大提高了其光催化制氫效率。（yang?h,?sun?s,?lyu?j,?yangq&cui,?j.?mechanism?insight?into?triple?s-schemeintermolecular?carbon?nitride?homojunction?with?robust?built-inelectric?field?for?highly?enhanced?photocatalytic?hydrogenevolution[j].chemical?engineering?journal,?2024,?481,?148297.）雖然有研究表明通過調(diào)控內(nèi)建電場能夠顯著促進g-c3n4的激子解離和電子-空穴對的分離與轉(zhuǎn)移以增強光催化性能，但傳統(tǒng)異質(zhì)結(jié)界面區(qū)域大量的結(jié)構(gòu)缺陷往往成為光生載流子的復(fù)合中心，仍不利于光催化反應(yīng)效率的提升。碳二氮（c2n）因其均勻的多孔氮化結(jié)構(gòu)和寬帶隙而引起了研究者極大的興趣，c2n的應(yīng)用已經(jīng)得到了充分研究。wang等人通過構(gòu)建由偶氮融合微孔聚合物和c2n超薄納米片的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，利用可見光實現(xiàn)了整體的水分解。（wang?l,?zheng?x,?chen?l.?xiong?y&xu?h.?van?der?waals?heterostructures?comprised?of?ultrathin?polymernanosheetsfor?efficient?z-scheme?overall?water?splitting.?angewandte?chemie,2018,?57,3454-3458.）由于二維c2n和g-c3n4具有相似的層狀結(jié)構(gòu)，而兩者之間的表面電位不同，因此該復(fù)合材料可局部形成雙層結(jié)構(gòu)，促成更強的內(nèi)部電場，提高材料的體積電荷分離效率，從而大大提高其光催化效率。因此本文報道的一種碳二氮調(diào)控金摻雜石墨相氮化碳內(nèi)建電場的制備方法具有很大的現(xiàn)實意義和前景

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種碳二氮調(diào)控金摻雜石墨相氮化碳內(nèi)建電場的制備方法，該材料具有優(yōu)異的可見光催化降解rhb性能。

2、實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種碳二氮調(diào)控金摻雜石墨相氮化碳內(nèi)建電場的制備方法，包括如下步驟：

3、第一步，將尿素、三聚氰胺、三聚氰酸以及金離子分散在水中，加熱攪拌；

4、第二步，將碳二氮水溶液緩慢滴入第一步所制得的混合液中，加熱攪拌；

5、第三步，將第二步所制得的混合液趁熱倒入反應(yīng)釜中，于120±10?℃下水熱反應(yīng)后冷卻至常溫；

6、第四步，將第三步反應(yīng)所得的固體多次洗滌后干燥，得到碳二氮復(fù)合金屬摻雜超分子前驅(qū)體；

7、第五步，將第四步所得的碳二氮復(fù)合金屬摻雜超分子前驅(qū)體在550±10?℃下焙燒，制得碳二氮修飾的金摻雜石墨相氮化碳。

8、進一步，第一步中，尿素、三聚氰胺與三聚氰酸的質(zhì)量比為1:1:1，金離子化合物為四氯金酸，且金離子與三聚氰胺的質(zhì)量比為5:1000-25:1000。

9、進一步，第一步中，加熱攪拌溫度為60~80?℃，攪拌時間為2-4?h。

10、進一步，第二步中，碳二氮與三聚氰胺的質(zhì)量比為1:400。

11、進一步，第三步中，水熱反應(yīng)時間為8~16?h。

12、進一步，第五步中，焙燒的時間為2-4?h。

13、上述方法制備的碳二氮修飾金摻雜石墨相氮化碳的應(yīng)用，將其作為可見光催化降解降解羅丹明b的催化劑。

14、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其優(yōu)點在于：（1）本發(fā)明制備的碳二氮修飾金摻雜石墨相氮化碳呈多孔薄片層結(jié)構(gòu)，大大增加了其比表面積，具有更多的活性位點，提高其光載流子參與光催化的可能性，縮短其擴散長度；（2）適量金離子的摻雜能有效調(diào)整其能帶結(jié)構(gòu)，增強光吸收利用率；（3）帶正電的金摻雜石墨相氮化碳表面與帶負(fù)電的碳二氮表面耦合形成強電位點，形成更強的內(nèi)部電場，提高了其光生載流子的分離效率，從而有利于提高催化劑可見光催化降解降解羅丹明b的性能。

技術(shù)特征：

1.一種碳二氮調(diào)控金摻雜石墨相氮化碳內(nèi)建電場的制備方法及其應(yīng)用，其特征在于，包括如下步驟：

2.權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，第一步中，尿素、三聚氰胺與三聚氰酸的質(zhì)量比為1:1:1，金離子化合物為四氯金酸，且金離子與三聚氰胺的質(zhì)量比為5:1000-25:1000。

3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，第一步中，加熱攪拌溫度為60~80?℃，攪拌時間為2-4?h。

4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，第二步中，碳二氮與三聚氰胺的質(zhì)量比為1:400。

5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，第三步中，水熱反應(yīng)時間為8~16?h。

6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，第五步中，焙燒的時間為2-4?h。

7.如權(quán)利要求1-5任一所述方法制備的碳二氮修飾金摻雜石墨相氮化碳的應(yīng)用，其特征在于，將其作為可見光催化降解rhb的催化劑。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種碳二氮調(diào)控金摻雜石墨相氮化碳內(nèi)建電場的制備方法及其應(yīng)用。該材料在弱堿性水溶劑條件下，通過生成的氨基酰脲與金屬離子配位絡(luò)合，再與三聚氰胺以及三聚氰酸通過分子間氫鍵作用以及電荷相互吸引作用生成金屬摻雜超分子前驅(qū)體，其進一步與碳二氮π?π共軛堆疊形成碳二氮復(fù)合金屬摻雜超分子前驅(qū)體，最后通過高溫刻蝕制得碳二氮修飾的金摻雜石墨相氮化碳。本發(fā)明制備的改性石墨相氮化碳呈多孔薄片層結(jié)構(gòu)，大大增加了其比表面積，具有更多的活性位點；同時金離子摻雜調(diào)控了其能帶結(jié)構(gòu)，增強了光吸收利用率；此外，帶正電的金摻雜石墨相氮化碳表面與帶負(fù)電的碳二氮表面耦合形成強電位點，促成更強的內(nèi)建電場，提高了其光生載流子的分離效率，從而極大地提高了原有氮化碳的可見光催化降解羅丹明B的活性。

技術(shù)研發(fā)人員：歐海笑,高玉杰,王振興,魏文秀,徐聞遠,張子恒,陳響,黃婷,楊福興
受保護的技術(shù)使用者：南京科技職業(yè)學(xué)院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19