[發明專利]氮化碳/碳復合納米線的制備方法

在審

• 申請號: 202011316334.1
• 申請日: 2020-11-23
• 公開（公告）號: CN112264080A
• 公開（公告）日: 2021-01-26
• 發明（設計）人: 余永志;程思;王樂瑩;羅凌虹;徐序;程亮
• 申請（專利權）人: 景德鎮陶瓷大學
• 主分類號: B01J27/24
• 分類號: B01J27/24;B01J35/10;C02F1/30;C02F101/30
• 代理公司: 杭州中成專利事務所有限公司 33212
• 代理人: 金祺

本發明公開了一種氮化碳/碳復合納米線的制備方法，包括如下步驟：將富氮類有機化合物加入聚乙烯吡咯烷酮水溶液或聚乙烯醇水溶液中，均勻攪拌，得混合液；所述富氮類有機化合物為尿素、硫脲、單氰胺中的至少一種；混合液采用靜電紡絲方法，得到前驅體纖維；前驅體纖維先干燥，然后在惰性氣體中煅燒，得到氮化碳/碳復合納米線。利用本發明得到的氮化碳/碳復合納米線能有效地光催化降解有機污染物，且性能穩定。

技術領域

本發明涉及一種制備氮化碳/碳復合納米線的簡單方法，具體涉及一種基于靜電紡絲技術合成氮化碳/碳復合納米線的方法。

背景技術

環境污染問題嚴重影響和威脅著人類的生活，污染治理成為世界各國普遍的難題。能源危機和環境問題能否得多妥善的解決，是關系人類社會能夠可持續性發展的關鍵。自Carey等(Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology,1976,16(6):697–701)利用半導體TiO₂能夠紫外光徹底氧化分解水中的氰化物和多氯聯苯等有毒污染物以來，由于半導體光催化過程中的產生的空穴具有強的氧化性，在常溫常壓下就可實現對有機污染物的深度分解成二氧化碳和水，在環境污染物治理中具有極大的應用價值，得到了眾多研究者的廣泛關注(Chemical Reviews,2016,116(12):7159-7329；ChemicalScience,2017,8(8):5261-5274.)。半導體的光催化特性是由其能帶結構所決定，光催化降解污染的過程可以概括為：當用能量等于或大于半導體帶隙的光輻照時，處于價帶上的電子被激發躍遷到導帶，相應地在價帶處產生空穴。電子和空穴在電場的作用下分別遷移到半導體材料的表面，從而在半導體表面產生具有高活性的光生電子-空穴對。光生電子與吸附在半導體表面的溶解氧俘獲光生電子形成超氧負離子，而光生空穴將吸附在催化劑表面的氫氧根離子和水氧化成氫氧自由基具有很強的氧化性，能將絕大多數難降解的有機污染物轉化為二氧化碳和水。再者，光催化材料本身無損耗，可回收重復使用。因此，半導體光催化技術被認為是當今最理想和最具發展潛力的可持續性環境凈化技術。目前，最常用的半導體光催化劑是TiO₂，傳統的TiO₂具有相對優異的光催化性能。但其帶隙比較大，只能利用太陽光中的紫外光，光吸收波長范圍較窄(Nature,1972,238(5358):37–38)。而紫外光能量只占到太陽光總能量的5％左右，可見光能量卻占了47％以上。另外，TiO₂的光生載流子復合率較高，導致了其量子效率較低。這些缺陷在其他無機半導體光催化材料中也普遍存在，制約了光催化技術的實際應用。因此，開發新型高效光催化劑和拓寬光催化劑的光響應范圍，成為當前光催化領域的研究熱點。

與傳統的無機半導體光催化劑相比，新型可見光響應的氮化碳具有物理化學性質穩定、熱穩定性高、帶隙適中、制備工藝簡單、原料廉價豐富等特點(Nature materials,2009,8(1):76-80)。一般認為，組成氮化碳的結構單元主要有兩種：三嗪環和七嗪環。在以三嗪環和七嗪環為單元的氮化碳結構中，都具有類似于石墨狀的層疊結構，即各片層沿著c軸方向堆疊。在每一片層都是由C、N原子sp²雜化，通過p_z軌道上的孤對電子形成一個類似于苯環結構的大π鍵，組成一個高度離域的共軛體系。環與環之間則通過末端N原子相連起來，形成二維無限擴展的π共軛平面。在這兩種結構的氮化碳中，N原子所處的電子環境不同，穩定性也不一樣。通過理論計算表明，以七嗪環為結構單元的氮化碳更為穩定。因此大家普遍認為，在實驗合成中以七嗪環為結構單元的氮化碳更容易被合成。然而，常規熱縮聚得到的氮化碳不僅結晶度相對較差，不利于光生載流子快速向催化劑表面遷移，因而其光生載流子的分離效率較低。而且，表面積小，催化活性位點少，導致氮化碳的光催化活性相對較低。這些固有的缺陷極大地阻礙了氮化碳的進一步發展和應用。