一种表面拉电子基团修饰的超薄石墨相氮化碳纳米片光催化材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种表面拉电子基团修饰的超薄石墨相氮化碳纳米片光催化材料的制备方法与应用，属于功能纳米材料制备、太阳能利用与环境保护技术领域。该方法为：采用富氮前驱体(尿素、二腈二胺或三聚氰胺)为原料结合高分子结构导向剂，热聚合制备得到超薄g

【技术实现步骤摘要】
一种表面拉电子基团修饰的超薄石墨相氮化碳纳米片光催化材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及功能纳米材料制备、太阳能利用与环境保护
，具体涉及一种表面拉电子基团修饰的石墨相氮化碳纳米片光催化材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]近些年在光催化净水领域中，非金属聚合物光催化材料g
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C3N4因其易于合成、环境友好及较好的热稳定和化学稳定性的特征而受到广泛的关注。然而，将合成的块体g
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C3N4光催化剂应用于实际仍然面临着巨大的挑战；究其原因，其主要归结为严重的载电荷复合问题极大地限制了其光催化性能。为了解决上述问题，一个非常有效的策略是剥离块体g
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C3N4制备超薄纳米片。超薄g
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C3N4纳米片的结构特征不仅能提供大量表面活性位点并且能有效缩短光生载流子从体相迁移到表面的距离进而减少光生载流子的复合。上述策略虽然能在一定程度上提高g
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C3N4光催化效率，但是却面临以下问题：(1)剥离块体g
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C3N4制备超薄纳米片的工艺面临着耗时、产量低等问题；(2)超薄纳米片结构主要解决了光生载流子体相迁移复合问题，但是对光生载流子表面复合问题并没有有效缓解。另外，虽然大量研究表明在材料表面负载贵金属能有效降低光生载流子表面复合，但是却面临着高昂成本的问题。因此，如何通过合理的设计，探索大规模制备具有高效光生载流子分离效率的g
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C3N4光催化净水材料，是太阳能高效利用与环境修复领域一个十分重要的研究方向。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于提供一种表面拉电子基团修饰的超薄石墨相氮化碳纳米片光催化材料的制备方法和应用。通过制备具有超薄结构特征的g
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C3N4纳米片结合在其表面修饰拉电子基团苯磺酰氯，以同时实现g
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C3N4光催化材料中体相和表面光生电子与孔穴的有效分离进而从根本上提高光催化材料体系的光催化净水能力。
[0004]为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：
[0005]一种表面拉电子基团修饰的超薄石墨相氮化碳(g
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C3N4)纳米片光催化材料的制备方法和应用。通过高分子结构导向剂辅助富氮前驱体一步热聚合制备超薄氮化碳纳米片(UCN)，进一步通过化学嫁接处理得到表面拉电子基团修饰的超薄石墨相氮化碳(g
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C3N4纳米片)光催化材料。
[0006]所富氮前驱体为尿素、氰胺、二腈二胺或三聚氰胺。
[0007]所述高分子结构导向剂为分子量一万到四万的聚乙二醇粉末。
[0008]所述的表面拉电子基团修饰的UCN光催化材料的制备方法，具体制备过程包括如下步骤：
[0009](1)将富氮前驱体与高分子结构导向剂按一定比例加入到装有去离子水的烧杯中，在80℃水浴条件下强烈搅拌至前驱体完全溶解至澄清溶液。
[0010](2)将步骤(1)得到的澄清溶液转移到80℃干燥箱，烘干12小时得到白色固体粉
末。
[0011](3)将步骤(2)得到的白色固体粉末加入刚玉坩埚中，置于马弗炉内在空气氛围下500～650℃煅烧1～6小时，得到所述的超薄氮化碳(UCN)材料。
[0012](4)将步骤(3)得到的UCN材料加入盛装有机溶剂和有机碱的混合溶液的烧瓶中并磁力搅拌混合均匀，得到混合物料；随后在冰浴条件下，将一定量的苯磺酰氯加入到所述混合物料中，接着在室温条件下搅拌30分钟。待反应完成后，用去离子水和乙醇进行多次交替洗涤，然后在40℃条件下真空干燥10～24小时，即获得所述苯磺酰基修饰的超薄g
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C3N4纳米片光催化材料。
[0013]所述步骤(1)的富氮前驱体与高分子结构导向剂的质量比为10：(0.1～1)，作为优选质量比为10：(0.5～1)。
[0014]步骤(4)中，加入的超薄氮化碳(UCN)与混合溶液的比例为(50
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100)毫克：(100
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1000)毫升；加入苯磺酰氯与超薄氮化碳(UCN)的比例为(1
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10)毫升： (20
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200)毫克，优选的比例为5毫升：100毫克。
[0015]所述步骤(4)所述有机溶剂为乙醇、二氯甲烷或四氢呋喃；所述的有机碱为乙二胺或三乙胺，所述混合溶液中有机溶剂与有机碱的体积比例为(100
‑
180)：1。
[0016]所述的表面拉电子基团修饰的UCN光催化材料可直接应用于水中有机污染物和致病微生物的光催化净化中。
[0017]本专利技术的设计原理如下：
[0018]本专利技术最根本的出发点是制约半导体光催化材料应用于实际的主要瓶颈是光生载流子的极易复合从而导致光催化效率低下；为了解决这一难题我们选择易于合成与改性的g
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C3N4作为模型，通过制备具有超薄结构特征的g
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C3N4纳米片结合在其表面修饰拉电子基团苯磺酰氯，以同时实现g
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C3N4光催化材料中体相和表面光生电子与空穴的有效分离进而从根本上提高光催化材料体系的光催化净水能力。最终的目的是通过材料设计，使非金属半导体光催化材料g
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C3N4具有更高的光催化活性和潜在的商用价值。
[0019]本专利技术的优点在于：
[0020]1.本专利技术采用高分子结构导向剂辅助合成g
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C3N4纳米片，可以简单实现超薄纳米片的大量制备合成。
[0021]2.本专利技术采用表面拉电子基团修饰结合超薄纳米片结构特征同时光催化材料体相与表面载流子复合问题，为今后设计合成高效光催化净水材料的制备提供了一条思路。
[0022]3.本专利技术工艺流程简单、操作简便，能耗低，适合大批量生产。
[0023]4.本专利技术的表面拉电子基团修饰的UCN光催化材料实现了光生电子与孔穴的高效分离，具有很高的光催化活性可以直接用来去除水体中有机污染物或致病微生物，具有潜在实际应用价值。
附图说明
[0024]图1为实施例1、2和实施例3所制备超薄氮化碳纳米片(UCN)与苯磺酰基修饰的超薄氮化碳纳米片(UCN
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bs)晶体结构表征XRD和FI
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IR图；其中：(a) XRD；(b)FI
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IR图。
[0025]图2为实施例2所制备UCN
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bs
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5mL晶体结构表征SEM，TEM和AFM图；其中：(a)SEM；(b)TEM；(c)AFM。
[0026]图3为实施例1和实施例2所制备UCN和UCN
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bs
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5mL光催化材料瞬时光电流图。
[0027]图4为实施例1和实施例2所制备UCN和UCN
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bs
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5mL光催化材料可见光光催化降解水中罗丹本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种表面拉电子基团修饰的超薄石墨相氮化碳纳米片光催化材料的制备方法，其特征在于：该方法是利用富氮前驱体结合高分子结构导向剂辅助热聚合制备超薄氮化碳纳米片(UCN)材料，进一步通过化学嫁接处理得到表面拉电子基团修饰的超薄石墨相氮化碳(g
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C3N4)纳米片光催化材料。2.根据权利要求1所述的表面拉电子基团修饰的超薄石墨相氮化碳纳米片光催化材料的制备方法，其特征在于：所述的富氮前驱体为尿素、氰胺、二腈二胺或三聚氰胺。3.根据权利要求1所述的表面拉电子基团修饰的超薄石墨相氮化碳纳米片光催化材料的制备方法，其特征在于：所述的高分子结构导向剂为聚乙二醇。4.根据权利要求1所述的表面拉电子基团修饰的超薄石墨相氮化碳纳米片光催化材料的制备方法，其特征在于：所述的化学嫁接手段为利用苯磺酰氯和超薄氮化碳纳米片(UCN)表面残留氨基的酰胺反应将苯磺酰基嫁接到超薄氮化碳纳米片(UCN)表面。5.根据权利要求1
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4任一所述的表面拉电子基团修饰的超薄石墨相氮化碳纳米片光催化材料的制备方法，其特征在于：该方法具体包括如下步骤：(1)将富氮前驱体与高分子结构导向剂按一定比例加入到装有去离子水的烧杯中，在80℃水浴条件下强烈搅拌至前驱体完全溶解至澄清溶液；(2)将步骤(1)得到的澄清溶液转移到80℃干燥箱，烘干12小时得到白色固体粉末；(3)将步骤(2)得到的白色固体粉末加入刚玉坩埚中，置于马弗炉内在空气氛围下500～650℃煅烧1～6小时，得到所述的超薄氮化碳(UCN)材料；(4)将步骤(3)得到的超薄氮化碳(UCN)材料加入盛装有机溶剂和有机碱的混合溶液的烧瓶中...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖军，尚建库，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：