一种钾/钠/钇三单原子掺氮化碳光催化材料的制备方法

本发明属于光催化功能材料领域，具体涉及一种钾/钠/钇三单原子掺氮化碳的新型光催化材料的制备方法。

背景技术：

1、随着全球人口的急剧膨胀和工业化步伐的加快，对能源的需求呈现爆炸性增长，而传统化石能源的储量却在逐年减少，能源短缺问题已成为制约社会可持续发展的重大挑战。在这一背景下，光催化技术凭借其独特优势和巨大潜力，被寄予厚望，成为解决能源危机的关键技术之一。

2、氮化碳作为一种备受瞩目的半导体光催化材料，因其原料丰富、成本低、理想的能带结构以及物理化学稳定性而备受关注。然而，其在实际应用中仍面临一些挑战，如禁带宽度较大、光生载流子易复合以及可见光利用率低等，这些问题限制了其光催化性能的表现。为解决这些限制，研究者们不懈努力，提出一系列有效的优化策略，这些策略包括但不限于：通过形貌调控改善材料的微观结构，利用元素掺杂调整能带结构，构建半导体异质结以促进电荷分离，引入助催化剂来加速催化反应等。

3、三单原子掺杂策略在改性氮化碳材料的制备中展现出显著的新兴潜力。这种方法之所以备受青睐，是因为三单原子催化剂具备高原子利用率，同时在三单原子位点上表现出协同催化效应，能够最大程度地发挥催化潜能。同时三单原子掺杂可以在氮化碳的带隙中引入新的能级，从而拓宽其光谱响应范围，提高对太阳光的利用率。然而，当前的研究主要集中在过渡金属双单原子的掺杂上，这在一定程度上限制了掺杂原子种类的多样性和来源的广泛性。因此，我们急需探索一种新型的单原子掺杂方法，特别是针对稀土金属的原子掺杂，以拓宽氮化碳材料的掺杂选择，并实现更高效、更多样化的掺杂效果。

技术实现思路

1、本发明致力于拓展光催化材料的多样性，特别提出一种钾/钠/钇三单原子掺氮化碳光催化材料及其制备方法，并将此材料应用于光催化水分解制氢领域。该新型材料的核心特色在于，采用一步熔融盐法将钾/钠/钇三单原子高效地掺入氮化碳结构中，从而制备出具有高产氢性能和优异稳定性的光催化材料。本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

2、按照以下质量比称取原料，三聚氰胺和氧化钇：氯化钠：氯化钾：氯化锂＝(0.25～0.5)：(0.25～0.5)：(0.2～0.4)：(0.05～0.1)，采用一步熔融盐法制备钾/钠/钇三单原子掺氮化碳催化剂。

3、作为本发明优选的实施例，将总质量为0.75～1.5克的三聚氰胺和氧化钇，0.75～1.5克氯化钠、0.6～1.2克氯化钾和0.15～0.3克氯化锂采用一步熔融盐法制备钾/钠/钇三单原子掺氮化碳催化剂。

4、具体步骤为：将称取好的原料放入玛瑙研钵中反复研磨，混合均匀后放入烘箱中干燥；然后，将干燥的样品放入方型氧化铝坩埚，装入管式炉，以3～5摄氏度每分钟的升温速率到545～555摄氏度，恒温3～3.5小时，在氯化钠、氯化钾和氯化锂提供的惰性环境中，钾/钠/钇三单原子掺杂到氮化碳结构中形成一种新型的催化材料。最后，自然冷却至室温，得到淡黄色粉末，收集粉末，用热的去离子水洗涤离心、干燥、得到新型的钾/钠/钇三单原子掺杂氮化碳的光催化材料。

5、优选的，三聚氰胺与氧化钇的质量比为(4～6)：1，进一步优选为5:1。

6、氧化钇和氯化锂的掺入在本发明产品的性能提升中扮演着至关重要的角色。一方面，氧化钇的掺入可以很好的改善光吸收、促进电荷分离与传输以及增加表面活性位点等，能够显著增强光催化产品的光催化性能。另一方面，氯化锂中的锂离子与氯离子对于稳定三嗪单元结构具有不可或缺的作用，因此，在光催化材料的设计与优化中，合理控制氧化钇的掺入量以及确保氯化锂中离子的适当存在，是提升材料性能、实现高效稳定光催化过程的关键策略。

7、本发明同时请求保护上述催化剂的应用，特别是在光催化剂上的应用。

8、所述催化剂料在可见光照射下，能显著提升分解水生成氢气的性能。其卓越性能主要归功于钾/钠/钇三单原子与氮化碳材料的协同作用，这种作用体现在两个方面：首先，钾/钠/钇三单原子的掺入可以作为电子捕获中心，促进电子从氮化碳向钾/钠/钇三单原子的转移，有效的抑制电子和空穴的复合，从而显著提升光催化效率；其次，这种掺杂结构为光催化反应提供更多的活性位点，有利于光生载流子的转移和提高传质过程，进一步增强光催化产氢的能力。

9、本发明与现有技术相比具有以下优势：

10、(1)采用氯化钠、氯化钾和氯化锂作为高温液相溶剂，将钾/钠/钇三单原子掺到二维层状结构的氮化碳材料中。这种掺杂不仅为光催化反应提供丰富的活性位点，还能极大地提高载流子的运输效率，进一步增强光催化产氢的能力。

11、(2)本发明操作简便，工艺简单，制备出的光催化材料在催化活性和稳定性方面都表现出色。

12、本发明丰富了可见光半导体催化材料的种类和来源，为解决能源问题提供了全新的视角和方法，也为光催化领域的发展带来新的突破和机遇。

1.钾/钠/钇三单原子掺氮化碳光催化材料的制备方法，其特征在于，按照以下质量比称取原料，三聚氰胺和氧化钇：氯化钠：氯化钾：氯化锂＝(0.25～0.5)：(0.25～0.5)：(0.2～0.4)：(0.05～0.1)，采用一步熔融盐法制备钾/钠/钇三单原子掺氮化碳催化剂。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，三聚氰胺与氧化钇的质量比为(4～6)：1。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，三聚氰胺与氧化钇的质量比为5:1。

5.钾/钠/钇三单原子掺氮化碳光催化材料，其特征在于，采用权利要求1-4所述的任一方法制备所得。

6.钾/钠/钇三单原子掺氮化碳光催化材料的应用，其特征在于，在光催化剂上的应用。

7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，在可见光照射下，分解水生成氢气。