一种氧化石墨相氮化碳及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了石墨相氮化碳（g-C3N4）表面改性的处理方法，合成了氧化石墨相氮化碳。本发明专利技术还公开了利用氧化石墨相氮化碳作为重金属离子的吸附剂。本发明专利技术解决了石墨相氮化碳难溶于溶剂及与各种材料均匀复合的问题。将石墨相氮化碳经浓硫酸及高锰酸钾氧化处理，再经双氧水还原，得到表面带有羟基、羧基和环氧基等亲水性官能团的水溶性氧化石墨相氮化碳。所得表面改性的氧化石墨相氮化碳形貌呈现为不规则三维蜂窝孔洞结构，比表面积大大增加，具有很好的亲水性和分散性，有利于石墨相氮化碳与其他材料的相容性，对重金属离子具有很强的吸附能力。

【技术实现步骤摘要】
一种氧化石墨相氮化碳及其制备方法与应用
本专利技术涉及一种新型的氧化石墨相氮化碳的制备方法，及利用氧化石墨相氮化碳作为重金属离子的吸附剂。
技术介绍
1989年Liu和Cohen以β-Si3N4晶体结构为模型，采用C替代Si进行理论计算发现β-C3N4具有与金刚石相媲美的硬度和更优良的导热性能。在此基础上，1996年Teter和Hemley采用第一性原理对C3N4进行重新计算,提出C3N4具有5种结构,即α相、β相、c相(立方相)、p相(准立方相)和g相(石墨相)。其中类石墨相在常温常压下最稳定，具有半导体特性，其他四种结构的氮化碳都是超硬材料，具有良好的化学惰性，其稳定性高于金刚石，能够弥补金刚石稳定性差的不足。在室温下，g-C3N4是以三嗪环（-C3N3）或者3-s-三嗪环（-C6N7）组成的平面片层结构，环与环之间通过末端的N原子相连，形成无线拓展的π共轭平面，这些π共轭平面通过类石墨的方式堆积，形成了g-C3N4这种特殊的结构，赋予了g-C3N4优良的耐磨性、化学热稳定性和热稳定性等，在催化剂载体和储能材料具有很高的应用前景。g-C3N4应用光催化分解水制备氢气，降解有机染料和催化有机反应等。虽然g-C3N4应用在新型催化剂上具有稳定、耐高温，具有合适的能带结构等优异性能，但有些缺点如比表面积小、分散性差、光生电子和空穴快速复合导致量子效率较低等问题，大大降低了在催化领域的应用。目前许多研究者采用改性的方法来提高g-C3N4的应用领域。在改性方面，主要通过引入有序介孔结构，掺杂非金属元素、沉积贵金属，与其他半导体复合等方法提高g-C3N4的光催化活性。通过增大g-C3N4的比表面积来增加活性位点，提高催化效率。在g-C3N4的应用过程中存在一个问题，由于g-C3N4的化学稳定性高，各片层存在很强的作用力，表面呈惰性状态，从而导致片层极易堆叠在一起很难分散开来，很难溶解于溶剂中，更难与其他无机材料或有机材料均匀地复合。这给g-C3N4的进一步研究和应用造成了极大的困难，因而改善g-C3N4在溶剂的分散性及其与各种材料均匀复合成为目前最需要解决的问题。氧化石墨相氮化碳在重金属污染处理方面还未见报道。
技术实现思路
本专利技术提供了一种氧化石墨相氮化碳及其制备方法与应用，本专利技术首次提出对g-C3N4的分散性进行化学改性，大大提高了在水溶液中的分散性，解决了一直以来在水溶液中难分散的难题；本专利技术合成的氧化石墨相氮化碳表面含有大量的亲水性基团，这些基团对重金属离子具有很强的吸附能力，并可进一步制备成高灵敏度的新型电极材料，大大拓展了g-C3N4的应用范围。本专利技术的第一个目的是通过以下技术方案实现的，氧化石墨相氮化碳，为多层的块状，由纳米棒状堆叠起来的三维孔洞状，氧化石墨相氮化碳表面带有羟基、羧基和环氧基亲水性官能团，接触角25°，所述氧化石墨相氮化碳能完全溶解分散在水溶液中。本专利技术的第二个目的是通过以下技术方案实现的，一种石墨相氮化碳的表面改性的制备方法，包括以下步骤：（1）在冰水浴条件下，加入浓硫酸，在磁力搅拌器下，加入石墨相氮化碳，溶液呈黄色，然后缓慢加入高锰酸钾，加完后计时，在搅拌下反应2-3小时，溶液呈成深棕色，控制反应温度为不超过5℃；（2）步骤（1）得到的深棕色溶液继续在35-40℃的水浴下搅拌反应，会有大量气泡产生，反应1小时后，缓慢加入去离子水稀释；（3）在步骤（2）得到稀释液中加入摩尔浓度为1-2mol/L的双氧水还原，严格控制还原温度在35-45℃，直至溶液呈乳白色；（4）继续将步骤（3）得到的乳白色溶液趁热过滤，用摩尔浓度为1-2mol/L的盐酸和去离子水充分洗涤，使溶液呈中性；在30℃下真空干燥，得到白色粉末状氧化石墨相氮化碳。优选地，步骤（1）中所述浓硫酸的用量为每克所述石墨相氮化碳对应23ml浓硫酸。优选地，步骤（1）中所述高锰酸钾的用量为每克所述石墨相氮化碳对应3克高锰酸钾。优选地，步骤（2）中所述去离子水的用量为每克所述石墨相氮化碳对应100ml去离子水。本专利技术的第三个目的是通过以下技术方案实现的，一种上述方法制备的氧化石墨相氮化碳在重金属离子吸附上的应用：将上述方法制得的氧化石墨相氮化碳配制成浓度为1-3mg/ml的水溶性溶液，加入200-300mmol/L的重金属离子溶液，在20-30℃下反应4-7h，使溶液充分混合，静置1-3h，使溶液达到吸附平衡，氧化石墨相氮化碳溶液出现团聚，通过电化学表征及电镜照片观察到氧化石墨相氮化碳已吸附了重金属离子。优选地，所述重金属离子溶液为硫酸铜、硝酸铅或硝酸汞溶液。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：第一，本专利技术的石墨相氮化碳表面改性处理的方法制备简单，所用原料均为常用的无毒化学物质，制备的氧化石墨相氮化碳具有优异的物理化学性能，可扩大石墨相氮化碳的应用范围。本专利技术制备出一种新型材料氧化石墨相氮化碳，将石墨相氮化碳经浓硫酸及高锰酸钾氧化处理，再经双氧水还原，得到表面带有羟基、羧基和环氧基等亲水性官能团的水溶性氧化石墨相氮化碳。所得表面改性的氧化石墨相氮化碳形貌呈现为不规则三维蜂窝孔洞结构，比表面积大大增加，具有很好的亲水性和分散性，有利于石墨相氮化碳与其他材料的相容性，对重金属离子具有很强的吸附能力。该方法制备简单，无毒。第二，本专利技术制得的氧化石墨相氮化碳带有羟基、羧基环氧基等亲水性官能团，具有良好的水溶性，能稳定分散在水溶液中不产生沉淀。第三，本专利技术制得的氧化石墨相氮化碳比表面积大，对重金属离子的吸附量比石墨相氮化碳及其他材料要高，可以通过过滤或者沉降去除重金属离子，可以重复利用，在重金属吸附剂上具有广阔的应用前景。第四，本专利技术制得的氧化石墨相氮化碳性能稳定、再生重复利用，可用于工业污水和生活污水中重金属离子的吸附。第五，本专利技术第一次提出对g-C3N4进行表面改性，在g-C3N4的边缘处及缺陷处引入了大量的亲水性基团，改善g-C3N4在溶液中的分散性，赋予材料新的物理、化学特性，改善g-C3N4与其他材料的相容性。附图说明图1a是本专利技术制得的石墨相氮化碳的扫描电镜图；图1b是本专利技术制得的氧化石墨相氮化碳的扫描电镜图；图2是本专利技术制得的氧化石墨相氮化碳吸附重金属离子的扫描电镜图；图3a是本专利技术制得的石墨相氮化碳的透射电镜图；图3b是本专利技术制得的氧化石墨相氮化碳透射电镜图；图4是本专利技术制得的氧化石墨烯的高分辨透射电镜图及元素分析图；图5石墨相氮化碳和氧化石墨相氮化碳的红外光谱图；图6a是本专利技术制得的石墨相氮化碳的视频接触角分析图；图6b是本专利技术制得的氧化石墨相氮化碳的视频接触角分析图；图7是本专利技术制得的氧化石墨相氮化碳、石墨相氮化碳电子能谱对比图(a)及氧化石墨相氮化碳的C1s(b)、N1s(c)、O1s(d)元素的电子能谱图；图8是本专利技术制得的氧化石墨相氮化碳吸附重金属离子的电化学表征图。具体实施方式氧化石墨相氮化碳，为多层的块状，由纳米棒状堆叠起来的三维孔洞状，氧化石墨相氮化碳表面带有羟基、羧基和环氧基亲水性官能团，接触角25°，所述氧化石墨相氮化碳能完全溶解分散在水溶液中。一种石墨相氮化碳的表面改性的制备方法，包括以下步骤：（1）在冰水浴条件下，加入浓硫酸，在磁力搅拌器下，加入石墨相氮化碳，溶液呈黄色，然后缓慢加入高锰酸钾本文档来自技高网...

【技术保护点】
氧化石墨相氮化碳，其结构式为：，所述R1为‑OH，R2为‑CHO，R3为‑COOH。

【技术特征摘要】
1.氧化石墨相氮化碳，其特征是，所述氧化石墨相氮化碳为多层的块状，由纳米棒状堆叠起来的三维孔洞状，氧化石墨相氮化碳表面带有羟基、羧基和环氧基亲水性官能团，接触角25°，所述氧化石墨相氮化碳能完全溶解分散在水溶液中。2.一种制备权利要求1所述的氧化石墨相氮化碳的制备方法，其特征是，包括以下步骤：（1）在冰水浴条件下，加入浓硫酸，在磁力搅拌器下，加入石墨相氮化碳，溶液呈黄色，然后缓慢加入高锰酸钾，加完后计时，在搅拌下反应2-3小时，溶液呈深棕色，控制反应温度为不超过5℃；（2）步骤（1）得到的深棕色溶液继续在35-40℃的水浴下搅拌反应，有大量气泡产生，反应1个小时后，缓慢加入去离子水稀释；（3）在步骤（2）得到稀释液中加入摩尔浓度为1-2mol/L的双氧水还原，严格控制还原温度在35-45℃，直至溶液呈乳白色；（4）继续将步骤（3）得到的乳白色溶液趁热过滤，用摩尔浓度为1-2mol/L的盐酸和去离子水充分洗涤，使溶液呈中性；在30-40℃下真空干燥，得到白色粉末状氧化石墨相氮化碳。3.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：王赪胤，吕红映，陈敬平，王春霞，
申请(专利权)人：扬州大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32