[发明专利]一种氮掺杂的碳-镁复合纳米片的制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种氮掺杂的碳‑镁复合纳米片的制备方法及应用。所述方法以六水氯化镁、氨水、单氰胺为原料、乙醇水溶液为溶剂、聚乙烯吡咯烷酮58000为桥联剂制备具有氮掺杂的碳‑镁复合纳米片，该材料是片状MgO与氮掺杂的活性炭复合形成三明治结构状的纳米片。氮掺杂的碳‑镁复合纳米片在环境污染治理，特别是水处理中具有质量轻、吸附性能良好、易回收、光催化降解效率高的优点，突破了无机纳米材料在水处理技术领域的工业化应用。

技术领域

本发明属于环保材料制备领域，具体涉及一种具有吸附和光催化降解功能的氮掺杂的碳-镁复合纳米片的制备方法，及在处理环境污染物的应用。

背景技术

随着现代工业、农业的发展，大量的有毒有害且难降解的有机污染物(如氯酚类、农药、抗生素、内分泌干扰物等)进入水环境，威胁着人类的健康与生存，且这类物质是常规的水处理过程中难以去除和降解的。

针对于这类污染物，半导体光催化氧化技术作为一种经济、安全、高效的高级氧化技术，引起了研究者们的广泛关注。该技术可以氧化水环境中的有机污染物，并将其最终降解为二氧化碳、水和无机离子等安全无毒的小分子物质，不存在二次污染，被认为是绿色环保的污染处理技术。光催化技术可实现太阳能的高效转化和储存，在一定条件下可驱动重要的化学反应，在解决环境能源问题上有着较大的优势。传统的半导体光催化剂存在光谱响应范围较窄，太阳能利用率低稳定性差等缺点。探索性能优异、价格低廉、稳定的可见光催化剂，在解决能源和环境问题方面具有重要的意义。

纳米光催化剂在特定波长的光的照射下激发生成电子一空穴对(一种高能粒子)，这种电子一空穴对和周围的水、氧气发生作用后，就具有了极强的氧化－还原能力，能将空污染物降解成无害无味的小分子物质。传统的半导体如TiO₂、g-C₃N₄和MoS₂纳米材料很难实现高浓度有机污染物的降解，这归因于这些材料在光照过程中易出现光生电子—空穴对快速复合、光谱范围吸收窄等缺陷性。因此，纳米复合材料在提高光生电子—空穴对的快速分离和拓展光谱吸收范围方面具有独特的优势。近年来，随着光催化领域研究的深入，开发一种具有吸附能力强和光催化活性高的纳米材料备受关注。

氧化镁(MgO)以其化学性质稳定、最大吸附量高和无毒无害的特点，而被广泛应用于对无机废气、有机物、细菌病毒和重金属等的吸附。但纳米MgO在废水处理和环境净化方面表现出收集难度大、吸附速率差和对可见光利用率低等缺点，这严重阻碍了其工业化应用进程。

将纳米MgO制备成大小均一的片状结构具有较好的晶型结构，可作为催化剂优良载体，有效提高催化剂比表面积。本发明的发明人在此前的研究中已经获得碳-镁纳米复合材料，其吸附能力有较大改善，但光催化活性有待进一步提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有吸附和光催化降解功能的氮掺杂的碳-镁复合纳米片的制备方法，以及该纳米片在环境污染治理中的应用。氮掺杂活性炭是将氮原子引入活性炭sp²杂化的碳原子中而形成一种新型的碳基材料；氮原子的进入促使其周围的碳原子带有正电荷，由此而言，其导电性能优于活性炭。目前已经有较多的研究将氮掺杂活性炭应用于电学领域。

本发明的发明人发现，将二维片状MgO与氮掺杂活性炭复合后，可以增大材料的比表面积，快速、有效地分离光电子-空穴对，提高光催化效率。氮掺杂的碳-镁复合纳米片具有质量轻、吸附性能良好、光催化降解效率高的优点。

基于上述研究发现，本发明首先提供了一种氮掺杂的碳-镁复合纳米片的制备方法，所述方法以六水氯化镁、氨水、单氰胺为原料、乙醇水溶液为溶剂、聚乙烯吡咯烷酮(Mw＝58000)为桥联剂制备具有氮掺杂碳-镁复合纳米片。所述纳米片是一种吸附能力强、光催化降解效率高、使用寿命长和成本低廉的水处理剂，突破了无机纳米材料在水处理技术领域的工业化应用。

本发明的技术方案具体为：