[發明專利]一種納米纖維素復合石墨相氮化碳/COF異質結光催化劑及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 202210091016.2
• 申請日: 2022-01-26
• 公開（公告）號: CN114377725A
• 公開（公告）日: 2022-04-22
• 發明（設計）人: 肖禾;羅豪;吳慧;陳禮輝;黃六蓮
• 申請（專利權）人: 福建農林大學
• 主分類號: B01J31/06
• 分類號: B01J31/06;B01J35/02;B01J35/06;C01C1/04
• 代理公司: 福州元創專利商標代理有限公司 35100
• 代理人: 林文弘;蔡學俊

本發明公開了一種納米纖維素復合石墨相氮化碳/COF異質結光催化劑及其制備方法和應用，首先利用高溫熱聚合的方式，以三聚氰胺為前驅體制備石墨相氮化碳；再以氧氣對其在高溫下進行刻蝕，得到片狀CN，并用鹽酸或硫酸對其進行質子化處理得到質子化氮化碳。然后將三醛基間苯三酚，2,4,6?三（4?氨基苯基）?1,3,5?三嗪，纖維素納米纖絲，質子化氮化碳分散于二甲基亞砜溶液中；最后在氬氣條件下，通過“一鍋法”水熱聚合的方式得到PCN/CNF/COF三元異質結光催化材料。本發明的異質結光催化劑具有比表面積高、光生電子轉移速率快、光生載流子分離效率高等優點，同時是一種環保型的光催化材料，可在可見光下光催化合成氨。

技術領域

本發明屬于光催化劑技術領域，具體涉及一種納米纖維素復合石墨相氮化碳/COF異質結光催化劑及其制備方法和應用。

背景技術

氨氣(NH₃)是一種生產應用中極為重要的生產原料，它可用于制造氨水、氮肥 、硝酸、銨鹽、純堿等，廣泛應用于化工、輕工、化肥、制藥等領域。除此之外，液氨通常可以作為一種制冷劑，同時，氨還可以作為一種生物燃料。上個世紀以來，關于合成氨工業為解決人口增長所帶來的糧食問題帶來了希望。現在，百分之八十的化肥生產都離不開合成氨工藝，即Haber-Bosch工藝。不過這種工藝能耗巨大，同時，此工藝會產生大量的二氧化碳。根據統計，每年在合成氨的工藝中，天然氣消耗量占據了全球的百分之三，能耗方面占據了全球的百分之一，溫室氣體的排放量達到了全球的百分之一。這對其可持續性和生產成本產生了負面影響。因此，尋求一種新型的產氨工藝已經成為了一種巨大挑戰，也是21世紀以來科研界解決的重大問題之一。本專利將會介紹一種利用太陽能這種理想的綠色能源進行光催化固氮產氨的生產工藝，該工藝所利用的生產原料為高純氮氣且該法是在室溫下進行，無需額外加熱加壓。此外，該光催化方法不需要使用犧牲劑，產品無需提純除雜質，是一種安全、綠色的方法。

石墨化碳氮化物(g-C₃N₄）作為一種非常具有吸引力的共軛聚合物，它有著極高的物理化學穩定性和可調節的電子能帶結構等性質，研究者對其在太陽能轉化和環境修復領域中做出了大量的研究。通過大量研究發現g-C₃N₄ 仍然具有一些不足之處，如比表面積較小、光生電子空穴對復合效率高、電子轉移慢等問題，這些缺點極其不利于其光催化活性。因此，改性氮化碳可以提高光催化活性。其中改性氮化碳可以通過金屬摻雜、非金屬摻雜，半導體復合等方式。最終，這些研究結果表明，以上方式提升效果不明顯。為了改善上述情況，本申請采用了三聚氰胺作為前驅體，通過熱縮合的方法構建超薄石墨相氮化碳，再引入鹽酸對其進行質子化改性，通過“一鍋法”水熱聚合的方式得到一種PCN/CNF/COF三元異質結光催化材料，大大提高了點荷載流子的傳輸速率，改善載流子的分離效率，提高了氨氣的產生效率。

發明內容

本發明要解決的技術問題，在于提供一種納米纖維素復合g-C₃N₄/COF異質結光催化劑的制備方法，該方法制備的異質結光催化劑具有比表面積高、光催化反應活性高，電荷載流子傳輸效率高等優點，同時是一種環保型的光催化材料，可用于在可見光下的光催化合成氨。

為實現上述目的，本發明的技術方案為：

一種納米纖維素復合g-C₃N₄/COF異質結光催化劑的制備方法如下：

首先以三聚氰胺為前驅體，用熱縮合的方法制備g-C₃N₄，然后用氧氣刻蝕，對其進行剝離得到片狀g-C₃N₄，提高其比表面積和催化活性位點;最后利用鹽酸或硫酸對其進行質子化處理；

在氬氣氛圍下，將質子化氮化碳（PCN），三醛基間苯三酚（TP），2,4,6-三（4-氨基苯基）-1,3,5-三嗪（TTA），納米纖維素（CNF）按一定比例均勻分散于二甲基亞砜（DMSO）溶劑中；