[0001] 本发明涉及非金属半导体氮化碳材料领域，尤其涉及一种碳掺杂氮化碳薄膜电极的制备方法。

[0002] 随着化石能源的逐渐短缺，越来越多的人把目光转移至太阳能等可再生能源上。半导体光催化技术引起了研究者的广泛关注，同时也可以解决能源与环境的诸多问题。光催化过程主要包含以下3个阶段：（1）光的捕获，（2）光生载流子的分离与运输，（3）反应物在界面进行反应。但是，光生载流子容易出现复合。为了避免这样的不利因素，进一步提高太阳能的转换效率，必须要设计高分离效率的光催化剂。光电材料可以用作发光设备，光学探测器，光电化学电池等方面，而这些应用需要制备出电极薄膜。

[0003] 近来，不含金属的石墨相氮化碳半导体薄膜在水分离，降解有机物以及传感器技术有较大的应用。氮化碳独特的半导体能带结构使得它可以充分利用可见光进行催化反应。传统方法制备的氮化碳薄膜电极由于比表面积小，仍存在电子和空穴分离不完全，电子传输速度慢，以及出现重新复合等缺点。目前，通常采用滴涂、浸涂等方法将石墨相氮化碳粉体制备在电极材料表面，获得的电极表面的石墨相氮化碳粉体不均匀，且易于脱落，造成电极不稳定。

[0021] 以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

[0022] 以下实施例中所采用的原料和仪器均为市售。

[0023] 光源取自高亮度氙灯平行光源系统仪器，并以300W氙灯（中教金源) 作为可见光源。用420nm 滤光片滤掉氙灯的紫外光。电化学实验使用CHI660B电化学工作站(上海辰华仪器有限公司)，利用传统的三电极体系：修饰电极为工作电极，铂丝电极为对电极，饱和甘汞电极 (SCE)为参比电极(所有电位均相对于SCE)。电化学实验均在室温0.2mol/L硫酸钠溶液(pH=7.0)中进行，电位为-0.2V(vs SCE)。EIS 实验在含有0.2mol/L硫酸钠溶液中进行，频率范围为0.01Hz～100kHz，初始电位为0.24V，交流振幅为5mV。

[0024] 实施例1 ：碳掺杂氮化碳薄膜电极的制备一种碳掺杂氮化碳薄膜电极的制备方法，包括如下步骤：
S1、以三聚氰胺、三聚氰酸和巴比妥酸为原料制备碳掺杂氮化碳；
S1-1、取10g三聚氰胺，10g三聚氰酸，1g巴比妥酸，研磨，溶解于100ml水中，以转速为
300r/min球磨0.5h，搅拌2h，在电热炉上烘干，制得前驱体。

[0025] S1-2、将前驱体置于马弗炉，以2.5℃/min的升温速率加热至550℃，并在550℃保温4h，待自然冷却后将块体取出，研磨20 分钟，用水和乙醇各冲洗3 次，过滤，80℃下干燥12h，即得多孔的碳掺杂氮化碳。

[0026] S2、将步骤S1所得碳掺杂氮化碳溶解，涂覆于预处理后的二氧化锡透明导电玻璃上，烘烤后得碳掺杂氮化碳薄膜电极。

[0027] 将二氧化锡透明导电玻璃（FTO）依次用去离子水、乙醇、丙酮各清洗2次，将碳掺杂氮化碳溶解至乙醇（使用聚乙烯醇、全氟磺酸也可达到相同的技术效果）中，以10kHz的频率超声5min，得电极溶液，将电极溶液以4000r/min的转速旋凃40s到FTO上，得到湿膜。

[0028] 将湿膜置于150℃的加热台烘烤10min。

[0029] 重复旋凃烘烤步骤8次，得碳掺杂氮化碳薄膜电极。

[0030] 本发明一种碳掺杂氮化碳薄膜电极的制备方法，首先采用三元共聚的方法制备碳掺杂氮化碳，随后将碳掺杂氮化碳涂覆于二氧化锡透明导电玻璃上，得碳掺杂氮化碳薄膜电极，工艺简单，成本低廉，得到的碳掺杂氮化碳薄膜电极通过无机元素C改变了氮化碳的能带结构，大幅提高氮化碳的比表面积，使电子和空穴分离更加有效，提高光电流信号，降低电阻，提高灵敏度，具有良好光电性能，符合实际生产需求，在光催化领域具有广阔的应用前景。

[0031] 对比例 1 ：未进行碳掺杂的氮化碳电极的制备取10g三聚氰胺放入坩埚里，置于马弗炉内，以2.5℃/min的升温速率加热至550℃，并在550℃保温4h，待自然冷却后将块体取出，研磨20分钟，用水和乙醇各冲洗3次，过滤，80℃下干燥12h，即得氮化碳。

[0032] 将二氧化锡透明导电玻璃（FTO）依次用水、乙醇、丙酮清洗2次，将氮化碳用乙醇溶解，以10kHz频率超声5min，得电极溶液。将电极溶液以4000r/min的转速旋凃40s到FTO上，得到湿膜，将湿膜置于150℃的加热台烘烤10min，重复旋凃烘烤步骤8次得氮化碳电极。

[0033] 性能测试：图1为对比例1的氮化碳和实施例1的碳掺杂氮化碳的XRD图，从图中可以发现对比例1的氮化碳在13.0°和27.5°处出现两个明显的归属于石墨相氮化碳（100）和（002）晶面的XRD 衍射峰，证实制备的产物为氮化碳。相对于对比例1，实施例1中改性的碳掺杂氮化碳的27.5°峰强度变弱，说明碳掺杂氮化碳的厚度变薄，更利于电子和空穴分离。

[0034] 图2为对比例1的氮化碳和实施例1的碳掺杂氮化碳的TEM图，从图（a）中可以看出对比例1的氮化碳光滑，而图（b）实施例1的碳掺杂氮化碳出现大小不一的纳米孔洞，呈现出明显的纳米层状结构，相对于传统的团聚状氮化碳（g-C3N4）比表面积更大，说明碳掺杂氮化碳可以促进电子的有效传递，抑制电子和空穴的再次复合。

[0035] 图3为对比例1的氮化碳和实施例1的碳掺杂氮化碳的DRS图，从图中可以看出对比例1的氮化碳的最大吸收波长在475nm左右，实施例1制备的碳掺杂氮化碳将波长拓宽至650nm以上，增加了光的吸收范围，提高了光的利用率。

[0036] 图4为对比例1中氮化碳电极和实施例1中碳掺杂氮化碳薄膜电极的光电流密度图。与对比例1中氮化碳电极相比，实施例1中碳掺杂氮化碳薄膜电极的光电流密度增强2倍。

[0037] 图5为对比例1中氮化碳电极和实施例1中碳掺杂氮化碳薄膜电极的阻抗图。与对比例1中氮化碳电极相比，实施例1中碳掺杂氮化碳薄膜电极的阻抗降低。阻抗反映了电阻的强弱，在一定电压下，电阻越小，电流越大，图4与图5的结论是相互支持的。

[0038] 虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。