一种用于光催化分解水产氢的硫掺杂晶体氮化碳及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于光催化材料技术领域，具体涉及一种用于光催化分解水产氢的硫掺杂晶体氮化碳及其制备方法和应用。

背景技术

随着工业化进程不断推进，能源危机与环境污染成为制约人类社会发展的两大难题。太阳能是一种理想的可再生能源，但太阳能本身能量密度较低、难以直接利用，通过光催化材料光催化分解水产氢，可以实现将太阳能转化为能量密度高、清洁的氢能，是解决上述难题的理想措施之一。

自2009年被首次应用到光催化领域以来，氮化碳材料由于具有可见光吸收性、化学稳定性好、成本低廉等优点，受到了研究者们广泛关注。氮化碳通常由富氮的有机前驱体小分子，如氰胺、双氰胺、三聚氰胺、尿素等，通过在500-600℃保温2-6h制得，但是传统热聚合方法制得的氮化碳通常结晶性较差，导致电子-空穴对复合严重，限制了氮化碳材料的应用前景。

熔盐法是提高氮化碳结晶度、制备晶体氮化碳的方法之一。该方法通过将富氮前驱体和熔盐均匀混合之后焙烧，由于熔盐的熔点低于氮化碳的聚合温度，可以提供类液相反应环境，加速氮化碳聚合，促进氮化碳分子链重排，从而显著提高氮化碳的结晶度。然而上述方法得到的晶体氮化碳具有比表面积较小、带隙较宽等不足，限制了光催化产氢活性的提升。非金属掺杂是改善氮化碳能带结构的有效手段，通过引入杂质能级减小带隙，增大吸光范围；同时杂原子占位可以增加缺陷，提高比表面积，暴露更多反应位点。因此将提高氮化碳结晶度与杂原子掺杂手段相结合以获得具有更高产氢活性的氮化碳材料，对于光催化材料领域具有重要意义。

专利CN201910423596.9公开了一种高结晶氮化碳光催化材料的制备方法和应用，该专利涉及将三聚氰胺进行煅烧得到前驱体，之后将前驱体与熔盐混合煅烧2-6h得到晶体氮化碳，在前驱体选择与预处理、熔盐煅烧时长方面与本专利具有较大差异。本专利选择富含硫的三聚硫氰酸(或三聚硫氰酸/三聚氰胺混合物)作为前驱体，通过水热-冷冻干燥的方法使反应物预聚以提高硫含量；同时本专利中熔盐煅烧时长缩短至5-90min，既减少硫挥发，又有利于节约能源。

发明内容

本发明的目的在于针对背景技术存在的不足，提出一种用于光催化分解水产氢的硫掺杂晶体氮化碳及其制备方法和应用。本发明将杂原子掺杂与熔盐法提高氮化碳结晶度两种改性手段相结合，得到了硫掺杂晶体氮化碳，其优点在于高结晶度可以加速光生电子在氮化碳内部的迁移速率，有效促进光生电子、空穴分离；硫掺杂可以增大比表面积，暴露更多活性位点、调节带隙，减小禁带宽度，从而提高产氢活性。同时本发明方法显著降低熔盐煅烧时间，有利于节约能源。

本发明的具体技术方案如下所述：

方案1、一种用于光催化分解水产氢的硫掺杂晶体氮化碳的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)将三聚硫氰酸分散到去离子水中，常温搅拌至少20min，之后将分散物转移至水热釜中，密封后在90-180℃反应2-6h，反应完毕后冷却至室温；之后将产物抽滤，将所得滤饼在-30--40℃冷冻干燥，得到前驱体；其中，三聚硫氰酸与去离子水的质量比为0.02-0.05:1；

(2)将前驱体置于管式炉中，在流动的氩气气氛下400-600℃煅烧1-4h，之后自然冷却至室温，得到硫掺杂氮化碳；其中氩气的体积空速为0.5-5min

(3)将得到的硫掺杂氮化碳与熔盐通过研磨混合均匀，将混合物置于管式炉中，在流动的氩气气氛下400-600℃煅烧5-90min；之后将样品迅速拿出炉膛并在惰性气体保护下快速冷却至室温，用去离子水洗去多余熔盐，烘干后得到硫掺杂晶体氮化碳；其中氩气的体积空速为0.5-5min

方案2、一种用于光催化分解水产氢的硫掺杂晶体氮化碳的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)将三聚硫氰酸与三聚氰胺的混合物分散到去离子水中，常温搅拌至少20min，之后将分散物转移至水热釜中，密封后在90-180℃反应2-6h，反应完毕后冷却至室温；之后将产物抽滤，将所得滤饼在-30--40℃冷冻干燥，得到前驱体；其中，三聚硫氰酸与三聚氰胺质量比为1-10:1；混合物与去离子水的质量比为0.02-0.05:1；

(2)将前驱体置于管式炉中，在流动的氩气气氛下400-600℃煅烧1-4h，之后自然冷却至室温，得到硫掺杂氮化碳；其中氩气的体积空速为0.5-5min

(3)将得到的硫掺杂氮化碳与熔盐通过研磨混合均匀，将混合物置于管式炉中，在流动的氩气气氛下400-600℃煅烧5-90min；之后将样品迅速拿出炉膛并在惰性气体保护下快速冷却至室温，用去离子水洗去多余熔盐，烘干后得到硫掺杂晶体氮化碳；其中氩气的体积空速为0.5-5min

方案3、一种用于光催化分解水产氢的硫掺杂晶体氮化碳的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)将三聚硫氰酸分散到去离子水中，常温搅拌至少20min，之后将分散物转移至水热釜中，密封后在90-180℃反应2-6h，反应完毕后冷却至室温；之后将产物抽滤，将所得滤饼在-30--40℃冷冻干燥，得到前驱体；其中，三聚硫氰酸与去离子水的质量比为0.02-0.05:1；

(2)将前驱体置于管式炉中，在流动的氩气气氛下400-600℃煅烧1-4h，之后自然冷却至室温，得到硫掺杂氮化碳；其中氩气的体积空速为0.5-5min

(3)将得到的硫掺杂氮化碳与熔盐通过研磨混合均匀，将混合物置于管式炉中，在流动的氩气气氛下400-600℃煅烧5-90min；之后将样品迅速拿出炉膛并在惰性气体保护下快速冷却至室温，用去离子水洗去多余熔盐，烘干后得到硫掺杂晶体氮化碳；其中氩气的体积空速为0.5-5min

方案4、一种用于光催化分解水产氢的硫掺杂晶体氮化碳的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)将三聚硫氰酸与三聚氰胺的混合物分散到去离子水中，常温搅拌至少20min，之后将分散物转移至水热釜中，密封后在90-180℃反应2-6h，反应完毕后冷却至室温；之后将产物抽滤，将所得滤饼在-30--40℃冷冻干燥，得到前驱体；其中，三聚硫氰酸与三聚氰胺质量比为1-10:1；混合物与去离子水的质量比为0.02-0.05:1；

(2)将前驱体置于管式炉中，在流动的氩气气氛下400-600℃煅烧1-4h，之后自然冷却至室温，得到硫掺杂氮化碳；其中氩气的体积空速为0.5-5min

(3)将得到的硫掺杂氮化碳与熔盐通过研磨混合均匀，将混合物置于管式炉中，在流动的氩气气氛下400-600℃煅烧5-90min；之后将样品迅速拿出炉膛并在惰性气体保护下快速冷却至室温，用去离子水洗去多余熔盐，烘干后得到硫掺杂晶体氮化碳；其中氩气的体积空速为0.5-5min

方案5、一种用于光催化分解水产氢的硫掺杂晶体氮化碳，其特征在于使用方案1-4任一项所述的制备方法所制得。

方案6、一种方案5所述硫掺杂晶体氮化碳的使用方法，其特征在于具体包含以下步骤：

(1)将硫掺杂晶体氮化碳加入到体积分数为5-20％的三乙醇胺水溶液中，硫掺杂晶体氮化碳与三乙醇胺水溶液比例为每30ml三乙醇胺水溶液加入5-20mg氮化碳，超声使氮化碳分散均匀；之后加入氯铂酸溶液，其中Pt占氮化碳质量分数为0.5-5％，得到配置好的反应液；

(2)将反应液转移至光催化产氢测试仪器中，密封体系，在10℃冷却水及搅拌条件下，将体系抽真空至少30min；之后用氙灯或LED灯全光谱照射20-30min使Pt预沉积到氮化碳上；

(3)将光源转换为可见光波段(>420nm)照射，使用气相色谱对产生气体进行定性和定量分析。

现有晶体氮化碳材料通常由含氮前驱体经熔盐处理2-6h制得，所得晶体氮化碳带隙较宽，比表面积有限；同时熔盐处理时间较长，各元素挥发严重，不利于节约能源。杂原子掺杂也是氮化碳材料改性手段之一，但由于掺杂元素易挥发、不易成键，通常仅针对无定形氮化碳进行改性，目前尚未有将晶体化改性与杂原子掺杂相结合的技术方案。与现有技术相比，本发明的显著优点在于：

(1)本发明提供了一种硫掺杂晶体氮化碳的制备方法，实现杂原子掺杂与晶体化的同步改性。本发明先通过水热-冷冻干燥的方法使三聚硫氰酸等反应物预先聚合，将硫原子预先固定在碳氮网络中，可以有效提高终产物硫含量；之后采用短时间熔盐法处理，熔盐可以提供类液相反应环境促进碳氮分子链重排以形成晶体结构，较短的熔盐处理时间可以有效减少硫的挥发，在提高氮化碳结晶度的基础上实现硫掺杂。

(2)本发明制备的用于光催化分解水产氢的硫掺杂晶体氮化碳具有结晶度高、带隙较窄、比表面积大的特点。其中熔盐法处理的高结晶度有利于光生电子在氮化碳内部的迁移；硫掺杂可以通过引入杂质能级减小带隙，增大吸光范围，杂原子占位可以增大比表面积，暴露更多催化活性位点。得益于上述特性，硫掺杂晶体氮化碳的光催化产氢活性显著高于体相氮化碳、硫掺杂氮化碳及晶体氮化碳。

(3)本发明提供的用于光催化分解水产氢的硫掺杂晶体氮化碳的制备方法，熔盐煅烧时长显著降低，具有工艺简便、节约能源的特点。

附图说明

图1为对比例1-3及实施例1-2所制备的晶体氮化碳、硫掺杂氮化碳、体相氮化碳及硫掺杂晶体氮化碳光催化材料的XRD衍射图谱；

图2中(a)、(b)、(c)、(d)、(e)分别为实施例1所制备的硫掺杂晶体氮化碳光催化材料的高分辨透射电镜图、暗场像及C、N、S元素分布像；

图3为实施例1及对比例1所制备的光催化材料的紫外-可见吸收光谱图及其拟合禁带宽度；

图4为实施例1及对比例1-3所制备的光催化材料的氮气等温吸附-脱附曲线图及BET比表面积；

图5为实施例1-4及对比例1-3所制备的光催化材料可见光下光催化产氢的性能图。

具体实施方式

下面将结合具体的实施例对本发明的技术方案做进一步的详细说明。应理解，所举实施例的目的在于进一步阐述本发明的内容，而不能在任何意义上解释为对本发明保护范围的限制。

实施例1：

(1)称取2g三聚硫氰酸分散至80ml去离子水中，常温搅拌30min，之后将分散物转移至100ml水热釜中，密封后在120℃反应4h，反应完毕后冷却至室温；之后将产物抽滤，将所得滤饼在-40℃冷冻干燥，得到前驱体；

(2)将前驱体置于管式炉中，在流动的氩气气氛下550℃煅烧4h，之后自然冷却至室温，得到硫掺杂氮化碳；其中氩气的体积空速为2min

(3)将得到的硫掺杂氮化碳与熔盐通过研磨混合均匀，将混合物置于管式炉中，在流动的氩气气氛下550℃煅烧40min；之后将样品迅速拿出炉膛并在惰性气体保护下快速冷却至室温，用去离子水洗去多余熔盐，烘干后得到硫掺杂晶体氮化碳；其中氩气的体积空速为2min

实施例2：

(1)称取1g三聚硫氰酸与1g三聚氰胺混合物分散至80ml去离子水中，常温搅拌40min，之后将分散物转移至100ml水热釜中，密封后在140℃反应2h，反应完毕后冷却至室温；之后将产物抽滤，将所得滤饼在-40℃冷冻干燥，得到前驱体；

(2)将前驱体置于管式炉中，在流动的氩气气氛下550℃煅烧4h，之后自然冷却至室温，得到硫掺杂氮化碳；其中氩气的体积空速为2min

(3)将得到的硫掺杂氮化碳与熔盐通过研磨混合均匀，将混合物置于管式炉中，在流动的氩气气氛下550℃煅烧40min；之后将样品迅速拿出炉膛并在惰性气体保护下快速冷却至室温，用去离子水洗去多余熔盐，烘干后得到硫掺杂晶体氮化碳；其中氩气的体积空速为2min

实施例3：

(1)称取2g三聚硫氰酸分散至80ml去离子水中，常温搅拌30min，之后将分散物转移至100ml水热釜中，密封后在100℃反应3h，反应完毕后冷却至室温；之后将产物抽滤，将所得滤饼在-40℃冷冻干燥，得到前驱体；

(2)将前驱体置于管式炉中，在流动的氩气气氛下550℃煅烧4h，之后自然冷却至室温，得到硫掺杂氮化碳；其中氩气的体积空速为2min

(3)将得到的硫掺杂氮化碳与熔盐通过研磨混合均匀，将混合物置于管式炉中，在流动的氩气气氛下550℃煅烧90min；之后将样品迅速拿出炉膛并在惰性气体保护下快速冷却至室温，用去离子水洗去多余熔盐，烘干后得到硫掺杂晶体氮化碳；其中氩气的体积空速为2min

实施例4：

(1)称取1.5g三聚硫氰酸与0.5g三聚氰胺混合物分散至80ml去离子水中，常温搅拌40min，之后将分散物转移至100ml水热釜中，密封后在150℃反应4h，反应完毕后冷却至室温；之后将产物抽滤，将所得滤饼在-40℃冷冻干燥，得到前驱体；

(2)将前驱体置于管式炉中，在流动的氩气气氛下550℃煅烧4h，之后自然冷却至室温，得到硫掺杂氮化碳；其中氩气的体积空速为2min

(3)将得到的硫掺杂氮化碳与熔盐通过研磨混合均匀，将混合物置于管式炉中，在流动的氩气气氛下550℃煅烧60min；之后将样品迅速拿出炉膛并在惰性气体保护下快速冷却至室温，用去离子水洗去多余熔盐，烘干后得到硫掺杂晶体氮化碳；其中氩气的体积空速为2min

对比例1：

一种晶体氮化碳的制备方法，包括如下步骤：

(1)称取3g三聚氰胺置于管式炉中，在流动的氩气气氛下550℃煅烧4h，之后自然冷却至室温,得到体相氮化碳。

(2)将得到的体相氮化碳与熔盐通过研磨混合均匀，将混合物置于管式炉中，在流动的氩气气氛下550℃煅烧40min；之后将样品迅速拿出炉膛并在惰性气体保护下快速冷却至室温，用去离子水洗去多余熔盐，烘干后得到硫掺杂晶体氮化碳；其中氩气的体积空速为2min

对比例2：

一种硫掺杂氮化碳的制备方法，包括如下步骤：

称取3g三聚硫氰酸置于管式炉中，在流动的氩气气氛下550℃煅烧4h，之后自然冷却至室温,得到硫掺杂氮化碳。

对比例3：

一种体相氮化碳的制备方法，包括如下步骤：

称取3g三聚氰胺酸置于管式炉中，在流动的氩气气氛下550℃煅烧4h，之后自然冷却至室温,得到体相氮化碳。

光催化产氢活性测试

(1)分别称取15mg实施例1-4、对比例1-3中得到的氮化碳材料，加入30ml体积分数为10％的三乙醇胺水溶液，超声5min使催化剂分散均匀，滴加氯铂酸溶液，其中Pt占催化剂质量分数为3％，得到配置好的反应液。

(2)将反应液转移至光催化产氢测试仪器中，密封体系，在10℃冷却水及搅拌条件下，将体系抽真空30min；之后用氙灯全光谱照射30min使Pt预沉积到氮化碳上。

(3)将光源转换为可见光波段(>420nm)照射，使用气相色谱对产生气体进行定性和定量分析。

图1为对比例1-3及实施例1-2所制备的晶体氮化碳、硫掺杂氮化碳、体相氮化碳及硫掺杂晶体氮化碳光催化材料的XRD衍射图谱；由图1可知，与硫掺杂氮化碳、体相氮化碳相比，硫掺杂晶体氮化碳中特征峰位置发生明显改变，表明晶相的生成；与晶体氮化碳相比，硫掺杂晶体氮化碳中位于28°的代表层间堆垛特征峰明显展宽，峰强度下降，表明硫掺杂晶体氮化碳中无序结构增加，这可能由于S原子掺杂占位导致。

图2中(a)、(b)、(c)、(d)、(e)分别为实施例1所制备的硫掺杂晶体氮化碳光催化材料的高分辨透射电镜图、暗场像及C、N、S元素分布图；由图2可知，实施例1的硫掺杂晶体氮化碳具有明显晶格结构，进一步证明其为晶相氮化碳；同时，实施例1的硫掺杂晶体氮化碳中C、N、S元素分布均匀，其中S元素掺杂量为0.05％。

图3为实施例1及对比例1所制备光催化材料的紫外-可见吸收光谱图及其拟合禁带宽度；由图3可知，与对比例1的晶体氮化碳相比，实施例1所制得的硫掺杂晶体氮化碳由于微量硫的引入，使得吸收边带红移，禁带宽度从2.59eV减小至2.57eV，这有利于光催化剂的对可见光的吸收。

图4为实施例1及对比例1-3所制备的光催化材料的氮气等温吸附-脱附曲线图及BET比表面积；由图4可知，与晶体氮化碳、硫掺杂氮化碳、体相氮化碳相比，硫掺杂晶体氮化碳的比表面积最大，达到了132.4m

图5为实施例1-4及对比例1-3所制备的光催化材料可见光下光催化产氢的性能图；由图5可知，实验制得的硫掺杂晶体氮化碳具有优异的光催化活性，产氢活性显著高于晶体氮化碳、硫掺杂氮化碳及体相氮化碳。