本發(fā)明屬于材料化學(xué)，具體涉及一種具有有序相結(jié)構(gòu)的氮化碳基光電極的制備方法及其應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、氮化碳兼具較強(qiáng)的可見光吸收能力(可以達(dá)到460nm)，光化學(xué)穩(wěn)定，廉價(jià)易制備，適宜的氧化和還原電位等優(yōu)點(diǎn)被廣泛的應(yīng)用于光催化污染物降解、光電生物傳感和太陽(yáng)能燃料轉(zhuǎn)化等領(lǐng)域的研究。在光電化學(xué)生物傳感當(dāng)中，光生載流子的分離和轉(zhuǎn)移對(duì)于傳感起著非常重要的作用，不同的電荷轉(zhuǎn)移途徑能夠帶來豐富的傳感信號(hào)變化，提升檢測(cè)選擇性和靈敏度。理論上，基于異質(zhì)結(jié)構(gòu)建的內(nèi)建電場(chǎng)，不同半導(dǎo)體之間通過層層組裝以及調(diào)變組裝順序，可定向調(diào)節(jié)電子或空穴的傳輸方向，構(gòu)建豐富的電荷轉(zhuǎn)移途徑。因此，構(gòu)建具有不同順序的有序相結(jié)構(gòu)的氮化碳基光電極是促進(jìn)光電化學(xué)傳感的關(guān)鍵。便宜、穩(wěn)定等特點(diǎn)在人工光合成到光電傳感等領(lǐng)域中引起了大家極大的興趣。然而，構(gòu)建具有不同順序的有序相界面和電荷遷移方向可控的氮化碳基光電極仍然具有挑戰(zhàn)性，這可能是由于傳統(tǒng)電爐原位熱冷凝前驅(qū)體揮發(fā)的熱力學(xué)限制，以及通過滴涂法、刮刀法等常見沉積技術(shù)導(dǎo)致的晶界效應(yīng)導(dǎo)致大塊氮化碳在基底電極上的弱粘附等，這些方法無法實(shí)現(xiàn)交替組裝氮化碳基光電極。因此，開發(fā)一種具有有序相結(jié)構(gòu)的氮化碳基光電極的制備方法具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種具有有序相結(jié)構(gòu)的氮化碳基光電極，本發(fā)明的方法可以制備出具有不同順序的有序相結(jié)構(gòu)的氮化碳基光電極，本發(fā)明通過電化學(xué)方法有效解決了均勻且與基底接觸緊密的氮化碳基光電極難以制備的問題，并為光電化學(xué)生物傳感提供了新的檢測(cè)模式。

2、本發(fā)明還提供所述具有有序相結(jié)構(gòu)的氮化碳基光電極的制備方法所制備的氮化碳基光電極及其應(yīng)用。

3、技術(shù)方案：為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所述一種具有有序相結(jié)構(gòu)的氮化碳基光電極的制備方法，包括如下步驟：

4、(1)將體相氮化碳材料置于有機(jī)溶劑中超聲分散，離心取上清液得到氮化碳分散液；

5、(2)將步驟(1)中所得氮化碳分散液用酸進(jìn)行質(zhì)子化后，通過電泳沉積的方法沉積到基底電極上；

6、(3)將步驟(2)所得電極煅燒后，采用電化學(xué)沉積的方法在電極表面沉積碘酸鉍，并煅燒后，得到具有氮化碳-碘酸鉍有序相結(jié)構(gòu)的光電極；

7、(4)或者調(diào)整步驟(2)和步驟(3)中電泳沉積和電化學(xué)沉積的順序，先采用電化學(xué)沉積的方法在電極表面沉積碘酸鉍，再進(jìn)行煅燒；氮化碳分散液用氫碘酸進(jìn)行質(zhì)子化后，通過電泳沉積的方法沉積到上述煅燒后的電極上，再進(jìn)行煅燒得到具有不同有序相結(jié)構(gòu)的光電極。

8、其中，步驟(1)中所述氮化碳材料為g-c3n4或者c3n2。

9、其中，步驟(1)中所述有機(jī)溶劑包括丙酮、異丙醇、乙醇或者1,3-丁二醇中任意一種。

10、其中，步驟(2)中所述酸為氫碘酸、稀鹽酸或者稀硫酸。作為優(yōu)選為氫碘酸。

11、其中，步驟(2)中所述電泳沉積的電源為直流電源，電壓為5v-150v，沉積時(shí)間為0.5分鐘-120分鐘。

12、其中，步驟(2)中所述基底電極為氟摻雜的氧化銦錫(fto)電極。

13、其中，步驟(3)中所述煅燒為以2℃/分鐘-20℃/分鐘的速率升溫至150℃-350℃，并保持0.5小時(shí)-5小時(shí)。

14、其中，步驟(3)中所述電化學(xué)沉積是通過計(jì)時(shí)電流法或者循環(huán)伏安法進(jìn)行，電位為-1v-0v，沉積時(shí)間為0.5分鐘-30分鐘。

15、其中，所述氮化碳、氫碘酸、碘酸鉍的比例通過沉積時(shí)間控制。

16、本發(fā)明所述的具有有序相結(jié)構(gòu)的氮化碳基光電極的制備方法所制備的氮化碳基光電極。

17、本發(fā)明所述的氮化碳基光電極在制備光電化學(xué)傳感器中的應(yīng)用。

18、本發(fā)明所述的具有有序相結(jié)構(gòu)的氮化碳基光電極的制備方法通過制備具有不同的有序相結(jié)構(gòu)的氮化碳基光電極，在實(shí)現(xiàn)氮化碳材料光電化學(xué)生物傳感的電荷遷移方向的調(diào)控中的應(yīng)用。

19、進(jìn)一步地，本發(fā)明的制備范范可以制備多層結(jié)構(gòu)，比如cn-bioi-cn-bioi，可以改變光電流以及對(duì)目標(biāo)物的響應(yīng)方式，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了氮化碳材料電荷遷移方向的調(diào)控。

20、本發(fā)明提出了一種全新的具有有序相結(jié)構(gòu)的氮化碳基光電極的制備方法，將體相氮化碳材料置于有機(jī)溶劑中超聲分散，離心取上清液得到氮化碳分散液；用氫碘酸將氮化碳質(zhì)子化，通過電泳沉積的方法將氮化碳沉積到基底電極上；通過電化學(xué)沉積的方法在所得電極上沉積碘酸鉍，得到具有氮化碳-碘酸鉍有序相結(jié)構(gòu)的光電極；調(diào)整上述兩種材料的沉積順序可以獲得具有順序有序相結(jié)構(gòu)的碘酸鉍-氮化碳光電極。上述具有有序相結(jié)構(gòu)的氮化碳基光電極的制備方法操作簡(jiǎn)單，制備得到的是具有不同有序相結(jié)構(gòu)的氮化碳基光電極，可以有效應(yīng)用于光電化學(xué)傳感等領(lǐng)域，有利于光電傳感中相界面和電子轉(zhuǎn)移的研究。

21、本發(fā)明基于ii型異質(zhì)結(jié)和z型異質(zhì)結(jié)的原理，通過調(diào)整具有不同能級(jí)結(jié)構(gòu)的光電材料的組裝順序，構(gòu)建了不同的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了相界面和電荷遷移方向的調(diào)控。雖然在能源領(lǐng)域已經(jīng)有文獻(xiàn)報(bào)道過具有有序相結(jié)構(gòu)的光電極的制備，但是其主要目的在于實(shí)現(xiàn)電荷分離效率的最大化，從而獲得最大的能量轉(zhuǎn)換效率。但是從信號(hào)傳導(dǎo)的角度而言，最重要的是如何利用檢測(cè)目標(biāo)物與光生電荷產(chǎn)生相互作用，進(jìn)而引起信號(hào)的變化。因?yàn)椴煌碾姾蛇w移方向，將會(huì)使電荷和檢測(cè)目標(biāo)物之間發(fā)生不同的相互作用，產(chǎn)生不同的信號(hào)變化，所以調(diào)控電荷遷移方向是豐富光電化學(xué)傳感的一個(gè)重要手段。本發(fā)明在實(shí)現(xiàn)相界面和電荷遷移方向調(diào)控的基礎(chǔ)上，發(fā)展了一種新的光電傳感模式，使得傳感靈敏度和選擇性得到大幅度的提升。

22、本發(fā)明重點(diǎn)是通過制備具有不同的有序相結(jié)構(gòu)的氮化碳基光電極，實(shí)現(xiàn)了電荷遷移方向的調(diào)控，并在此基礎(chǔ)上發(fā)展了一種具有高靈敏度和選擇性的光電傳感模式。在電極制備方面，相對(duì)于傳統(tǒng)的電爐原位熱冷凝前驅(qū)體法或者滴涂法、刮刀法等，本發(fā)明克服了傳統(tǒng)方法中的熱力學(xué)限制和晶界效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了在溫和條件下即可制備出具有均勻、致密、具有有序相結(jié)構(gòu)的光電極。在光電生物傳感方面，傳統(tǒng)的光電化學(xué)生物傳感具有選擇性高的優(yōu)點(diǎn)，但是其檢測(cè)過程需要經(jīng)歷復(fù)雜的生物反應(yīng)步驟，且應(yīng)用條件苛刻，對(duì)環(huán)境、溫度等要求較高，而本發(fā)明通過調(diào)控電荷遷移方向即可實(shí)現(xiàn)檢測(cè)目標(biāo)物的高靈敏度、高選擇性檢測(cè)。

23、有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：

24、本發(fā)明提出了一種具有有序相結(jié)構(gòu)的氮化碳基光電極的制備方法，其制備過程基于溫和的電泳沉積和電化學(xué)沉積方法，不受熱力學(xué)和晶界效應(yīng)的限制，具有沉積時(shí)間短、基底形狀限制少、沉積設(shè)備簡(jiǎn)單、易于放大等優(yōu)點(diǎn)，所制備的具有不同順序的有序相結(jié)構(gòu)的氮化碳基光電極均勻且致密，且實(shí)現(xiàn)了電荷轉(zhuǎn)移途徑的調(diào)控，并在此基礎(chǔ)上發(fā)展了一種具有高靈敏度和高選擇性的光電傳感模式，本發(fā)明制備的材料具有較高的靈敏度，更為重要是具有非常好的選擇性，而目前的氮化碳在無生物修飾條件下是沒有選擇性的。

技術(shù)特征：

1.一種具有有序相結(jié)構(gòu)的氮化碳基光電極的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1具有有序相結(jié)構(gòu)的氮化碳基光電極的制備方法，其特征在于，步驟(1)中所述氮化碳材料為g-c3n4或者c3n2。

3.根據(jù)權(quán)利要求1具有有序相結(jié)構(gòu)的氮化碳基光電極的制備方法，其特征在于，步驟(1)中所述有機(jī)溶劑優(yōu)選包括丙酮、異丙醇、乙醇或者1,3-丁二醇中任意一種。

4.根據(jù)權(quán)利要求1具有有序相結(jié)構(gòu)的氮化碳基光電極的制備方法，其特征在于，步驟(2)中所述酸為氫碘酸、稀鹽酸或者稀硫酸。

5.根據(jù)權(quán)利要求1具有有序相結(jié)構(gòu)的氮化碳基光電極的制備方法，其特征在于，步驟(2)中所述電泳沉積的電源為直流電源，電壓為5v-150v，沉積時(shí)間為0.5分鐘-120分鐘。

6.根據(jù)權(quán)利要求1具有有序相結(jié)構(gòu)的氮化碳基光電極的制備方法，其特征在于，步驟(2)中所述基底電極為氟摻雜的氧化銦錫(fto)電極。

7.根據(jù)權(quán)利要求1具有有序相結(jié)構(gòu)的氮化碳基光電極的制備方法，其特征在于，步驟(3)中所述煅燒為以2℃/分鐘-20℃/分鐘的速率升溫至150℃-350℃，并保持0.5小時(shí)-5小時(shí)；步驟(3)中所述電化學(xué)沉積是通過計(jì)時(shí)電流法或者循環(huán)伏安法進(jìn)行，電位為-1v-0v，沉積時(shí)間為0.5分鐘-30分鐘。

8.一種權(quán)利要求1所述的具有有序相結(jié)構(gòu)的氮化碳基光電極的制備方法所制備的氮化碳基光電極。

9.一種權(quán)利要求8所述的氮化碳基光電極在制備光電化學(xué)傳感器中的應(yīng)用。

10.一種權(quán)利要求1所述的具有有序相結(jié)構(gòu)的氮化碳基光電極的制備方法在實(shí)現(xiàn)氮化碳基光電化學(xué)生物傳感的電荷遷移方向的調(diào)控中的應(yīng)用。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種具有有序相結(jié)構(gòu)的氮化碳基光電極的制備方法及其應(yīng)用，將體相氮化碳材料置于有機(jī)溶劑中超聲分散，離心取上清液得到氮化碳分散液；將所得氮化碳分散液用氫碘酸進(jìn)行質(zhì)子化后，通過電泳沉積的方法沉積到基底電極上；將電極煅燒后，采用電化學(xué)沉積的方法在電極表面沉積碘酸鉍，并煅燒后，得到具有有序相結(jié)構(gòu)的光電極；調(diào)整上述電泳沉積和電化學(xué)沉積的順序，得到具有不同有序相結(jié)構(gòu)的光電極。本發(fā)明具有有序相結(jié)構(gòu)的氮化碳基光電極的制備方法操作簡(jiǎn)單，制備得到的是具有不同有序相結(jié)構(gòu)的氮化碳基光電極，可以有效應(yīng)用于光電化學(xué)傳感等領(lǐng)域，有利于光電傳感中相界面和電子轉(zhuǎn)移的研究。

技術(shù)研發(fā)人員：張?jiān)?李旺,沈艷飛,黃超峰
受保護(hù)的技術(shù)使用者：東南大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9