[發明專利]一種納米纖維素氮化碳復合膜及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201911399556.1
• 申請日: 2019-12-30
• 公開（公告）號: CN111167493B
• 公開（公告）日: 2021-07-13
• 發明（設計）人: 吳玉龍;張立龍;范桂芳;胡湖生;楊明德
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: B01J27/24
• 分類號: B01J27/24;C02F1/30;B01J37/08;C02F101/30
• 代理公司: 北京市領專知識產權代理有限公司 11590
• 代理人: 陳有業

本發明公開了一種納米纖維素和氮化碳復合膜，其包括一層或多層納米氮化碳層，和用于支撐所述納米氮化碳層的納米纖維素構成的層。本發明還公開了所述纖維素和氮化碳復合膜的制備方法和用途。

技術領域

本發明屬于光催化材料及薄膜反應器技術領域，具體涉及一種納米纖維素和層氮化碳復合光催化薄膜及其制備方法。

背景技術

氮化碳是一種非常有吸引力的非金屬光催化劑，其具有良好的電子結構、優異的熱穩定和化學穩定性、對環境友好以及易于用豐富廉價的原材料合成等優點。但由于其電導率低、載流子復合快、表面活性位點少等缺點，極大地限制了其在水分解和光有機合成領域的應用。近年來，大量的工作都致力于制備層數較少甚至單層的氮化碳，但已報道的制備方法中大部分都是采用先制備后剝離的方法；這些方法存在低效、過程繁雜、高耗能的缺點。模板劑作為其形貌調控的手段廣泛應用在氮化碳片片的制備上，但是現有的模板劑如AAO(陽極氧化鋁)、TiO₂等在后期去除過程中需要利用含氟溶液，造成二次污染。另一方面，氮化碳既難溶于大多數溶劑且成膜性差，而良好的分散性及成膜性對于常規鍍膜方法(如滴涂法及旋涂法等)在各種基底表面可控制備薄膜至關重要。因此，將石墨相氮化碳應用到薄膜器件中具有很大的挑戰性。

發明內容

本發明的目的在于公開一種納米纖維素和氮化碳復合膜、其制備方法及用于光催化降解有機物反應的用途。為了達到上述目的，本發明提出通過加入納米纖維素模板，利用納米纖維素自身的三維網狀結構給氮化碳制備的前驅體提供支撐；對含有氮化碳前驅體的膠體采用定向液氮快速冷凍的方法，使納米纖維素保持其自身的三維網狀結構，經冷凍干燥得到含有氮化碳前驅體的定干凝膠，再對干凝膠進行熱處理及超聲處理，得到一種氮化碳材料；然后利用納米纖維素的成膜特性作為支撐層，在納米纖維素薄膜表面覆蓋氮化碳片層，最終制備出具有光催化反應活性的復合膜。

本發明的技術方案如下：

本發明的第一方面公開了一種納米纖維素和氮化碳復合膜，其包括一層或多層納米氮化碳層、和用于支撐所述納米氮化碳層的納米纖維素構成的層。

優選地，所述氮化碳分子式為C₃N_2-6，所述納米氮化碳層的厚度為1-1000nm，面積為10nm²-1000nm²，其中氮元素含量為50.0wt％-70.0wt％。

優選地，所述納米纖維素構成的層中的納米纖維素為直徑小于1000nm的纖維素。

優選地，所述納米纖維素構成層的定量為20g/m²-60g/m²，即每平方米上的納米纖維素為20g-60g。

本發明第二方面公開了所述納米纖維素和氮化碳復合膜的制備方法，包括如下步驟：

①將氮化碳前驅體和納米纖維素按照質量比為(1-9)∶(9-1)溶解在水中，然后超聲處理0.5-1.5小時得到含氮化碳前驅體的納米纖維素凝膠；利用納米纖維素自身的三維網狀結構給氮化碳制備前驅體提供支撐；

②將步驟①得到凝膠在液氮中冷凍72小時以上，得到干凝膠；具體為：將步驟①得到凝膠移至離心管中，將該離心管中的凝膠全部浸沒在液氮中，然后停止下降并保持此狀態30分鐘；再將離心管置于凍干機中凍干72小時以上；得到具有定向孔結構的網狀結構的干凝膠；

③將步驟②得到干凝膠在氮氣保護下升溫至400-600℃并恒溫2-6小時，然后降至室溫，得到氮化碳；具體為將步驟②得到干凝膠至于管式爐中，通入氮氣作保護氣體升溫和恒溫；

④將步驟③得到的碳化物再次升溫至400-600℃并恒溫2-4小時，具體為將碳化物放置在馬弗爐中升溫和恒溫；降至室溫后將樣品在水中超聲處理0.5-1.5小時，得到固體含量為0.1wt％-1wt％的含氮化碳分散體系；