集吸油/吸附金属离子/光催化三元一体化磁性纳米石墨相氮化碳材料的制备方法及应用技术

本发明专利技术涉及多功能材料领域，公开一种集吸油/吸附金属离子/光催化三元一体化磁性纳米石墨相氮化碳材料的制备方法及应用，以纳米石墨相氮化碳纳米片为主体与纳米磁性微球复合，同时石墨相氮化碳纳米片表面具有可控介孔孔道结构；纳米磁性微球表面接枝有同时含有胺基和碳氢长链或苄基结构氧基硅烷化合物，与石墨相氮化碳的层状结构和表面C＝N键起到协同作用，起到吸油和吸附金属离子的作用；并可根据需要负载纳米级光催化活性化合物，形成催化活性化合物/g‑C

【技术实现步骤摘要】
集吸油/吸附金属离子/光催化三元一体化磁性纳米石墨相氮化碳材料的制备方法及应用
本专利技术涉及一种集吸油/吸附金属离子/光催化三元一体化磁性功能纳米石墨相氮化碳材料及其制备方法，属于材料制备和应用领域。
技术介绍
近年来石油泄露污染，重金属污染、有机物污染等严重危害到地球环境和人类自身的长久发展。如何解决这些污染迫在眉睫。对于石油泄漏污染只要有燃烧法、吸附法。燃烧法会带来大量温室气体和有毒有害气体，在解决污染的同时带来了二次污染，吸附法可以直接去除浮油经分离处理能对油品进行二次利用。对于重金属污染常用的方法有膜渗透法、生物吸附法、化学沉降法，物理吸附法等。相对于其他几种处理方法，物理吸附法具有成本低，操作简易、无二次污染等优点。有机物废水污染主要来源于印染业、食品药品生产、精细化工等行业，处理水污染的主要方法有生物降解法，光催化降解等。光催化利用取之不尽的自然光，在处理污染的同时没有能源消耗负担，是未来处理有机物水体污染的方向。随着工业技术的发展，新材料的发展也随之兴盛。碳材料作为人类最早开发的材料之一，到当今社会世界依然是研究热门的材料。近年来，新型碳材料如多壁碳纳米管、多孔活性炭、石墨烯、无定形碳等无金属碳质新材料随之受到科研工作者的追捧，近些年氮化碳作为一种优质的碳材料潜在替代品也引发了一股氮化碳研究热潮。氮化碳及其前体最早可追溯到1834年，1922年正式命名为氮化碳这种物质，自此氮化碳正式被科研工作者关注到。其中石墨相氮化碳(g-C3N4)被认为是氮化碳大家族中常温常压下最稳定的同素异形体。石墨相氮化碳有着与石墨类似的层间堆积的三维结构。层间通常以三嗪(s-trizine)以及三均三嗪(tri-s-triazine)为基本单位，通过碳氮共价键延展成片，层间通过范德华力堆积，其层间距离比石墨小3％，因此相对于石墨有着更高的硬度和堆积密度。石墨相氮化碳的价带和导带之间禁带宽度通常在3.0eV之下，价带电子在能量辐射下可以轻易的发生电子跃迁，生成的电子和空穴表现出强氧化性和还原性，是极佳的催化剂候选材料。石墨相氮化碳由于结构缺陷，在且合成氮化碳的前驱体种类繁多、合成方法多样、成本较低、极高的稳定性以及对环境无污染。氮化碳的层间结构，导致层边缘存在缺陷，因此裸露的边缘含有大量的含氮官能团，对外界显示出碱性，同时这一特性是石墨相氮化碳成为潜在的Lewis碱催化剂。虽然石墨相氮化碳具有很多优点，但一般方法合成的石墨相氮化碳成块状(bulk-g-C3N4),其比表面积较小，在10m2/g左右，即使通过质子化剥离得到的片状氮化碳任然无法有效提高比表面积。相比之下具有介孔结构的石墨相氮化碳比表面积高，大约在200m2/g左右，同时具有较大的孔体积，大约在0.3cm3/g左右。作为催化剂，通常较高的比表面积和丰富的孔道结构有助于提升材料的应用潜能,高比表面能提供更多的活性位点，而较大的孔隙率能提升物质在催化剂中的传质扩散，因此介孔石墨相氮化碳在诸多领域表现出比普通块状氮化碳更优异的催化以及吸附性能。虽然现有的制备介孔g-C3N4技术可以有效提高g-C3N4的比表面积和孔容量。但是，由于介孔g-C3N4材料本身结构稳定，难以在其基础上进一步改性，使得其作为多功能材料的性能有限。针对目前环保材料的需要，并结合石墨相氮化碳的特点和优势，我们专利技术了一种集吸油—吸附金属离子—光催化三元一体化磁性功能纳米g-C3N4材料，其生产过程简单，适应性强，且便于回收再利用。目前，以石墨相氮化碳为基底材料的吸油—吸附金属离子—光催化三元一体化功能材料还未见报道。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术目的是提供一种集吸油—吸附金属离子—光催化三元一体化磁性功能纳米g-C3N4材料，符合工业化生产的需要，在半导体光催化降解材料、油水分离、金属离子吸附等方面具有具有较大的工业化应用潜力。本专利技术的第二目的在于提供一种原料分布广泛且成本低廉，制备方法过程温和，反应条件简单易控制，能够高效获得多功能石墨相氮化碳纳米复合材料的制备方法。技术方案：本专利技术的一种集吸油—吸附金属离子—光催化三元一体化磁性功能纳米g-C3N4材料，以纳米石墨相氮化碳纳米片为主体，表面与纳米磁性微球复合，同时，石墨相氮化碳纳米片表面具有可控介孔孔道结构；纳米磁性微球表面接枝有同时含有胺基和碳氢长链或苄基结构氧基硅烷化合物，可根据需要进一步负载纳米级光催化活性化合物，形成催化活性化合物/g-C3N4/Fe3O4异质结，使光催化等综合能力有更大提升。本专利技术还提供了一种集吸油—吸附金属离子—光催化三元一体化磁性功能纳米g-C3N4材料的制备方法，包括以下步骤：(1)称取一定量含氮前驱体置于圆底烧瓶中，并水浴加热到70℃。在搅拌中分别加入不同量的二氧化硅溶胶。然后将混合均匀的溶液转移到带盖子的坩埚中置于管式炉，在氮气保护中加热，升温速率为4.5℃/min。经过大约2h的加热过程到达550℃，恒温4h。将自然冷却得到的淡黄色固体产物研磨至细致粉末将上述产物粉末置于氟化铵的溶液中浸泡48h，以除去粉末中的二氧化硅颗粒。离心分离出沉淀物，并用蒸馏水和无水乙醇各清洗2遍，在烘箱中70℃干燥4小时。将所得的介孔石墨相氮化碳命名为mg-C3N4。步骤(1)中所述的水溶性含氮前驱体为单氰胺，双氰胺，尿素，硫脲中一种或多种组成。进一步的，水溶性含氮前驱体与二氧化硅溶胶的质量比为1:4～1:1。(2)称取一定量mg-C3N4置于三口烧瓶中，并加入一定量蒸馏水，依次加入含铁化合物溶液，亚铁化合物与盐酸的混合溶液，高速剪切(高速剪切条件为：使用高速剪切机，转速5000～11000rp/min)持续30min，然后100℃回流60min。回流结束后将配置的稀氨水调节PH＝9，溶液由砖红色变为深棕色。溶液继续搅拌60min。搅拌结束后离心分离出沉淀物，用蒸馏水和无水乙醇各洗2遍并磁分离，在烘箱中60℃干燥24h。然后将产物分散到质量分数30％的H2O2溶液中，在70℃下水热处理24h，将所得产物命名为mg-C3N4@Fe3O4。进一步的，步骤(2)中所述的含铁化合物为硝酸铁，氯化铁，乙酰丙酮铁，硫酸铁及其水合物中一种。进一步的，亚铁化合物为硝酸亚铁，氯亚化铁，硫酸亚铁及其水合物中一种。进一步的，含铁化合物与亚铁化合物的摩尔比为1:1～3:1。进一步，mg-C3N4和Fe3O4的理论质量比为4:1。上述的制备方法中，水溶性的含氮前驱体与二氧化硅溶胶充分混合，在高温煅烧作用下形成包覆有大量纳米二氧化硅颗粒的石墨相氮化碳，通过氟化铵除去二氧化硅，获得大量规则介孔孔道结构。增加孔道结构，为吸附和光催化作用提供更多的活性位和空间。在加入含铁化合物和亚铁化合物水溶液的时候，必须采用高速剪切和回流处理，使得mg-C3N4纳米片克服相互之间的范德华作用力，处于剥离状态。在此前提下，生成纳米Fe3O4的前驱体在溶液中可以渗透进入到mg-C3N4的纳米片层间，让mg-C3N4纳米片层间距有所增加。不仅获得了超顺磁作用和磁性分离性能，还增本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种集吸油/吸附金属离子/光催化三元一体化磁性功能纳米石墨相氮化碳材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/n(1)制备介孔石墨相氮化碳，命名为mg-C

【技术特征摘要】
1.一种集吸油/吸附金属离子/光催化三元一体化磁性功能纳米石墨相氮化碳材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)制备介孔石墨相氮化碳，命名为mg-C3N4；
(2)称取一定量mg-C3N4加入蒸馏水，依次加入含铁化合物溶液、亚铁化合物与盐酸的混合溶液，高速剪切一段时间，然后加热回流，回流结束后调节PH＝9，溶液由砖红色变为深棕色；继续搅拌一段时间后离心分离出沉淀物，洗涤后磁分离、干燥，将干燥产物分散到H2O2溶液中，水热处理，得到mg-C3N4@Fe3O4；
(3)配制乙醇和蒸馏水的混合溶液，称量mg-C3N4@Fe3O4以及含有胺基结构的硅烷类化合物加入配制的混合溶液中，超声振荡反应一段时间，待反应结束用磁分离从溶液中分离出固体产物并用蒸馏水和乙醇洗涤，将洗涤后的产物干燥，最终制备得到改性材料，命名为mg-C3N4@Fe3O4/Si；
(4)称取一定量的mg-C3N4@Fe3O4/Si并加入蒸馏水，将形成的悬浊液超声分散，称取一定量的可溶性金属盐加入上述形成的悬浊液中，并机械搅拌，称取一定量的金属盐沉淀剂溶于的蒸馏水中，在机械搅拌下将配置的沉淀剂溶液缓慢滴加到悬浊液中，并持续搅拌，搅拌结束后在油浴条件下回流，回流结束离心分离收集得到沉淀物，用蒸馏水和无水乙醇洗涤并磁分离，干燥，将所的产物命名为mg-C3N4@Fe3O4/Si/XY，X表示金属盐中金属，Y表示沉淀剂中的阴离子成分。


2.根据权利要求1所述集吸油/吸附金属离子/光催化三元一体化磁性功能纳米石墨相氮化碳材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)所述介孔石墨相氮化碳的制备方法为：称取一定量含氮前驱体，水浴加热到70℃，在搅拌中加入二氧化硅溶胶，混合均匀后溶液转移到带盖子的坩埚中置于管式炉，在氮气保护中加热，升温速率为4.5℃/min，升温至550℃，恒温4h，将自然冷却得到的淡黄色固体产物研磨成粉末后置于氟化铵溶液中浸泡，除去粉末中的二氧化硅，离心分离出沉淀物，清洗、干燥，得到介孔石墨相氮化碳。


3.根据权利要求2所述集吸油/吸附金属离子/光催化三元一体化磁性功能纳米石墨相氮化碳材料的制备方法，其特征在于：水溶性...

【专利技术属性】
技术研发人员：毛辉麾，张青，程飞，左士祥，高丙莹，姚超，
申请(专利权)人：常州大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32