本發(fā)明屬于光催化材料，特別涉及低溫制備高結(jié)晶性改性氮化碳的方法、改性氮化碳及其應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、科技創(chuàng)新是解決環(huán)境問(wèn)題的重要手段，為了應(yīng)對(duì)環(huán)境問(wèn)題和能源問(wèn)題，科研工作者致力于探索環(huán)保和清潔能源領(lǐng)域的新技術(shù)和新材料，如光催化、可再生能源技術(shù)等，以期通過(guò)科學(xué)創(chuàng)新來(lái)緩解環(huán)境和能源壓力。過(guò)氧化氫被認(rèn)為是一種很有前途的太陽(yáng)能燃料，作為傳統(tǒng)化石燃料的替代品，其能量密度為3.0mj/l(60vol％過(guò)氧化氫)，與壓縮氫(35mpa)的能量密度2.8mj/l相當(dāng)，而且過(guò)氧化氫不需要高壓罐存儲(chǔ)，作為一種儲(chǔ)能介質(zhì)，它在穩(wěn)定性和便攜性方面比氫氣更優(yōu)越，因此已被用于燃料電池和火箭。在燃料電池中，使用過(guò)氧化氫作為陰極和陽(yáng)極的反應(yīng)物，理論輸出電壓可以高達(dá)1.09v，且不產(chǎn)生任何污染物排放。通過(guò)光催化產(chǎn)生過(guò)氧化氫，可以利用可再生的光能，并且在實(shí)施過(guò)程中，無(wú)需添加外部氧化劑，從而實(shí)現(xiàn)能源的可持續(xù)利用和環(huán)境友好的目標(biāo)。

2、過(guò)氧化氫是一種強(qiáng)氧化劑，在環(huán)境凈化、廢水處理、有機(jī)合成等許多領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。在消毒和殺菌領(lǐng)域過(guò)氧化氫扮演著重要的角色，作為一種廣譜抗菌劑，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療器械的消毒、污水處理和食品加工等領(lǐng)域。在環(huán)境凈化的具體應(yīng)用中，過(guò)氧化氫通過(guò)其強(qiáng)力的氧化作用，能夠?qū)?fù)雜的有機(jī)污染物分解為無(wú)害或低毒性的物質(zhì)，從而有助于降低環(huán)境中有害物質(zhì)的濃度。此外，它還能夠與某些重金屬離子發(fā)生反應(yīng)，形成難以溶于水的沉淀物，進(jìn)而減少這些重金屬對(duì)環(huán)境的危害。在廢水處理過(guò)程中，過(guò)氧化氫不僅可以直接氧化有機(jī)污染物，還可以與其他化學(xué)試劑配合使用，提高廢水處理的效率和效果。正是過(guò)氧化氫在諸多方面的應(yīng)用，導(dǎo)致過(guò)氧化氫的需求量逐年上升，預(yù)計(jì)到2025年中國(guó)的需求量將達(dá)到2379萬(wàn)噸。蒽醌法是目前合成過(guò)氧化氫最為成熟且廣泛應(yīng)用的方法，在工業(yè)生產(chǎn)中，高達(dá)95％的過(guò)氧化氫是通過(guò)這一方法制備的。然而，蒽醌法在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生廢氣和廢液，這些廢棄物對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重影響。廢氣的主要成分包括過(guò)氧化氫蒸汽和芳烴蒸汽等，而廢液則主要是由2-乙基蒽醌、重芳烴和磷酸三辛酯組成的有機(jī)溶液，這些物質(zhì)若處理不當(dāng)，將對(duì)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重破壞。為了解決這一問(wèn)題，光催化產(chǎn)生過(guò)氧化氫的方法逐漸受到關(guān)注，該方法利用清潔的光能驅(qū)動(dòng)水和氧氣反應(yīng)，生成過(guò)氧化氫。光催化反應(yīng)通常無(wú)需高溫或高壓條件，因此能在相對(duì)溫和的環(huán)境下進(jìn)行，與傳統(tǒng)的化學(xué)方法相比，光催化技術(shù)避免了有害副產(chǎn)物的生成，實(shí)現(xiàn)了綠色環(huán)保的氧化反應(yīng)。通過(guò)對(duì)光催化產(chǎn)生過(guò)氧化氫的研究，有望解決環(huán)境污染問(wèn)題、提高能源利用效率、推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展，對(duì)環(huán)境、能源和材料科學(xué)領(lǐng)域具有重要的意義。

3、石墨相氮化碳(g-c3n4)是一種備受關(guān)注的功能性材料，因其良好的光催化性能而廣受研究，這種材料具有原材料廉價(jià)豐富、高化學(xué)穩(wěn)定性以及優(yōu)異的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能，使其在多個(gè)領(lǐng)域都具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。然而，盡管g-c3n4具有這些優(yōu)異的性質(zhì)，但它也存在一些亟待解決的問(wèn)題：首先，g-c3n4的光吸收范圍相對(duì)較窄，這限制了其在光催化反應(yīng)中的應(yīng)用；其次，載流子復(fù)合嚴(yán)重和光生電荷分離效率低也是影響其光催化活性的重要因素。這些問(wèn)題導(dǎo)致了g-c3n4的光催化活性和光催化效率較低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決g-c3n4的光催化性能不足的問(wèn)題，本發(fā)明提供了低溫制備高結(jié)晶性改性氮化碳的方法，該方法制備的改性氮化碳具有寬光譜響應(yīng)和高載流子分離效率的優(yōu)勢(shì)，因而具備優(yōu)異的光催化性能，且該方法中改性氮化碳的合成溫度較低，具有低能耗和低成本的優(yōu)勢(shì)。

2、本發(fā)明還提供了一種高結(jié)晶性改性氮化碳及其應(yīng)用。

3、本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

4、本發(fā)明提供低溫制備高結(jié)晶性改性氮化碳的方法，所述方法包括：

5、將尿素、太陽(yáng)鹽和膦酰氯三聚體混合后進(jìn)行研磨，獲得混合物；

6、將所述混合物在300～400℃下進(jìn)行煅燒，獲得煅燒產(chǎn)物；

7、將所述煅燒產(chǎn)物進(jìn)行洗滌和真空干燥，獲得高結(jié)晶性改性氮化碳；

8、其中，所述混合物中，尿素、太陽(yáng)鹽和膦酰氯三聚體的質(zhì)量比為20：4：1。

9、進(jìn)一步的，所述將尿素、太陽(yáng)鹽和膦酰氯三聚體混合后進(jìn)行研磨，獲得混合物，具體包括：

10、將尿素、太陽(yáng)鹽和膦酰氯三聚體混合后研磨10～20min，獲得混合物。

11、進(jìn)一步的，所述將所述混合物在300～400℃下進(jìn)行煅燒，獲得煅燒產(chǎn)物，具體包括：

12、將所述混合物在300～400℃下進(jìn)行煅燒，升溫速度為2℃/min，保溫時(shí)間2～6h，后自然冷卻至室溫，獲得煅燒產(chǎn)物。

13、進(jìn)一步的，所述將所述煅燒產(chǎn)物進(jìn)行洗滌和真空干燥，獲得高結(jié)晶性改性氮化碳，具體包括：

14、將所述煅燒產(chǎn)物用80～100℃水洗滌數(shù)次，后在60±10℃下真空干燥12±2h，獲得高結(jié)晶性改性氮化碳。

15、基于同一發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明提供一種高結(jié)晶性改性氮化碳，所述高結(jié)晶性改性氮化碳通過(guò)上述低溫制備高結(jié)晶性改性氮化碳的方法制得。

16、基于同一發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明還提供一種高結(jié)晶性改性氮化碳在光催化合成過(guò)氧化氫中的應(yīng)用。

17、本發(fā)明實(shí)施例中的一個(gè)或多個(gè)技術(shù)方案，至少具有如下技術(shù)效果或優(yōu)點(diǎn)：

18、1.本發(fā)明低溫制備高結(jié)晶性改性氮化碳的方法，該方法采用太陽(yáng)鹽(60％nano3和40％kno3)作為熔融鹽，以膦酰氯三聚體為磷源與尿素共聚實(shí)現(xiàn)磷元素?fù)诫s，其中太陽(yáng)鹽降低了氮化碳的合成溫度，使尿素能在低溫(300℃-400℃)下熱聚合制備氮化碳，降低了能耗，同時(shí)還減小了禁帶寬度，拓寬了氮化碳的吸收光譜，降低了載流子復(fù)合率并提升了光生電荷的分離和遷移效率，提升了氮化碳的結(jié)晶性，磷元素的摻雜進(jìn)一步的減小了禁帶寬度，拓寬了氮化碳的光吸收范圍，提高了可見(jiàn)光的利用率，同時(shí)提升了光生載流子的分離和遷移效率，該方法利用尿素、膦酰氯三聚體和太陽(yáng)鹽在低溫下制備出了寬光譜響應(yīng)、高載流子分離效率的改性氮化碳，實(shí)現(xiàn)了提升氮化碳光催化性能的目的，并降低了氮化碳的制造能耗和成本。

19、2.本發(fā)明一種高結(jié)晶性改性氮化碳，通過(guò)將尿素、膦酰氯三聚體和太陽(yáng)鹽混合研磨，再經(jīng)過(guò)煅燒制備的改性氮化碳，具有寬光譜響應(yīng)和高載流子分離效率的優(yōu)勢(shì)，其光催化性能經(jīng)太陽(yáng)鹽和膦酰氯三聚體改性后大大提升，光催化產(chǎn)過(guò)氧化氫的性能提升了27倍，且該改性氮化碳的合成溫度低，具有低能耗和低成本的優(yōu)勢(shì)。

技術(shù)特征：

1.低溫制備高結(jié)晶性改性氮化碳的方法，其特征在于，所述方法包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低溫制備高結(jié)晶性改性氮化碳的方法，其特征在于，所述將尿素、太陽(yáng)鹽和膦酰氯三聚體混合后進(jìn)行研磨，獲得混合物，具體包括：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低溫制備高結(jié)晶性改性氮化碳的方法，其特征在于，所述將所述混合物在300～400℃下進(jìn)行煅燒，獲得煅燒產(chǎn)物，具體包括：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低溫制備高結(jié)晶性改性氮化碳的方法，其特征在于，所述將所述煅燒產(chǎn)物進(jìn)行洗滌和真空干燥，獲得高結(jié)晶性改性氮化碳，具體包括：

5.一種高結(jié)晶性改性氮化碳，其特征在于，所述高結(jié)晶性改性氮化碳通過(guò)權(quán)利要求1～4中任一項(xiàng)所述的低溫制備高結(jié)晶性改性氮化碳的方法制得。

6.如權(quán)利要求5所述的一種高結(jié)晶性改性氮化碳在光催化合成過(guò)氧化氫中的應(yīng)用。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了低溫制備高結(jié)晶性改性氮化碳的方法，屬于光催化材料技術(shù)領(lǐng)域，所述方法包括：將尿素、太陽(yáng)鹽和膦酰氯三聚體混合后進(jìn)行研磨，獲得混合物；將所述混合物在300～400℃下進(jìn)行煅燒，獲得煅燒產(chǎn)物；將所述煅燒產(chǎn)物進(jìn)行洗滌和真空干燥，獲得高結(jié)晶性改性氮化碳；其中，所述混合物中，尿素、太陽(yáng)鹽和膦酰氯三聚體的質(zhì)量比為20：4：1。該方法制備的改性氮化碳具有寬光譜響應(yīng)和高載流子分離效率的優(yōu)勢(shì)，因而具備優(yōu)異的光催化性能，且該方法中改性氮化碳的合成溫度較低，具有低能耗和低成本的優(yōu)勢(shì)。本發(fā)明還提供了一種高結(jié)晶性改性氮化碳及其應(yīng)用。

技術(shù)研發(fā)人員：張啟濤,李俊青,陳超,涂穎,何科林
受保護(hù)的技術(shù)使用者：深圳大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2