[發明專利]一種富氮氮化碳納米管光催化劑及制備方法和應用

在審

• 申請號: 201910179747.0
• 申請日: 2019-03-11
• 公開（公告）號: CN109999874A
• 公開（公告）日: 2019-07-12
• 發明（設計）人: 莫曌;許暉;徐凡;李華明;宋艷華
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: B01J27/24
• 分類號: B01J27/24;B01J35/10;B01J37/08;B01J37/10;C01B3/04;C02F1/30;C02F101/30
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本發明涉及光催化劑，特指一種富氮氮化碳納米管光催化劑及制備方法和應用，屬于光催化材料和環境治理的技術領域。該方法首先通過低溫水熱的方法得到形貌規整的棒狀超分子中間體，再通過馬弗爐煅燒得到一維形貌的富氮氮化碳納米管。富氮氮化碳管狀的一維結構使其具有更大的比表面積，降低電子復合率及提高其量子效率，從而提高了其光催化活性。

技術領域

本發明涉及光催化劑，特指一種富氮氮化碳納米管光催化劑及制備方法和應用，屬于光催化材料和環境治理的技術領域。

背景技術

氮化碳自2009年發現以來一直在光催化降解環境污染物、還原CO₂、可見光下光解水制取氫氣等光催化領域是研究熱點。其作為一種半導體聚合物光催化劑，具有化學組成簡單、可見光響應、能帶結構合適、穩定性高、廉價易得等優點。然而，通過傳統的熱聚合方法制備的石墨相氮化碳仍存在比表面積小、光生電子空穴對復合率高、可見光區的量子效率低等問題，從而導致光催化效率不佳。目前，研究者通過對氮化碳的進行納米結構的形貌調控、元素摻雜、復合其他半導體材料形成異質結等手段以改善其各種缺點，提高氮化碳的比表面積，改善載流子的傳質過程，增加其反應活性位，從而提高氮化碳的光催化性能。制備氮化碳納米材料最常用的方法有硬模板法、軟模板法。其中模板法是以二氧化硅或氧化鋁為模板，與前驅體混合熱解合成氮化碳，最后用具有強腐蝕性HF或NH₄HF₂刻蝕劑去除模板，以得到特定形貌結構的氮化碳。但是，此方法在制備氮化碳的過程中含有有毒化學試劑，存在原料成本高、材料制備周期長且對環境造成一定污染等問題。與模板法相比，超分子自組裝是一種無需加模板的自模板法，具有操作簡單、成本低、周期短、環保等優點。近期研究中，研究者進一步發展了超分子自組裝合成氮化碳納米結構的方法。通過調控自組裝水熱過程的反應參數和條件來控制氮化碳形貌結構、從而改善其光電性能，進而提高其光催化產氫及降解污染物的活性。

發明內容

本發明的目的是提供一種富氮氮化碳納米管光催化劑及制備方法和應用，該方法首先通過低溫水熱的方法得到形貌規整的棒狀超分子中間體，再通過馬弗爐煅燒得到一維形貌的富氮氮化碳納米管。富氮氮化碳管狀的一維結構使其具有更大的比表面積，降低電子復合率及提高其量子效率，從而提高了其光催化活性。

一種富氮氮化碳納米管光催化劑的制備方法，其制備步驟如下：

(1)將三聚氰胺和硫酸羥胺置于去離子水中，常溫磁力攪拌分散，得到混合分散液；

(2)將所得的混合分散液轉移至水熱反應釜中進行反應，所得的反應產物靜置后離心分離、洗滌、干燥即可得棒狀超分子中間體；

(3)在坩堝里面加入超分子中間體，隨后放入馬弗爐中然后以一定的升溫速度加熱到一定溫度，再保溫一定時間，即可得富氮氮化碳納米管。

上述的制備方法中，所述步驟1的三聚氰胺、硫酸羥胺、去離子水的質量比為0.5-2：1-4：25-50，所述的攪拌時間為30-60min。

上述的制備方法中，所述步驟2的反應溫度為100℃-150℃，所述的反應時間為10h-16h。

上述的制備方法中，所述步驟3的超分子中間體質量為1-2g，煅燒溫度為450℃-550℃，所述的升溫速度為1-4℃/min，所述的煅燒溫度保持時間為2-5小時。

本發明與現有技術相比，其顯著優點：原料簡單易得，產量高，操作簡單，重復性好，可控性強。在反應中，只使用三聚氰胺和硫酸羥胺兩種藥品，且僅以水作為溶劑不使用其他酸堿溶劑和有機溶劑，綠色環保。相較于普通石墨相氮化碳，富氮氮化碳納米管具有更大的比表面積，更低的價帶位置，足以產生羥基自由基(普通氮化碳的價帶不足以產生羥基自由基)，從而提升了光催化降解性能。在可見光照射下可對有色染料(MB、RhB、MO等)進行有效的降解，并且在降解抗生素雙酚A(BPA)協同產氫的系統中，同時實現污染物的降解和綠色氫能的產生，在污水處理和太陽能轉化等方面具有良好的應用前景和經濟效益。