[发明专利]一种宽光谱响应聚萘酰亚胺光催化材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种宽光谱响应聚萘酰亚胺光催化材料及其制备方法。该反应方法是将两种单体溶于有机溶剂中，首先在0~5℃下反应24~48小时生成聚酰胺酸，然后在300~350℃下继续反应1~2小时酰亚胺化为聚萘酰亚胺光催化材料；其中，第一种单体为萘四甲酸二酐及其衍生物；第二种单体为具有氨基官能团的共轭芳香胺或杂环胺；第一种单体的酸酐官能团和第二种单体的氨基官能团摩尔比为1：1~1.5：1。本发明采用操作简单、反应条件温和的合成方法制备了宽光谱响应（200~1400 nm）的聚萘酰亚胺光催化材料。此类材料能够在紫外光或可见光下有效地降解有机污染物，并在能源和环境方面具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种宽光谱（200 ~ 1400nm）响应聚萘酰亚胺光催化材料及其制备方法，属于环保材料领域。

背景技术

能源短缺和环境污染是当前人类面临的两个迫切需要解决的问题。光催化技术可以利用太阳光分解水制备清洁能源、将太阳能转化为化学能完全矿化有机污染物，治理环境污染，在解决能源和环境问题上展现出广阔的应用前景。然而，当前基于氧化钛、氧化锌等无机半导体的光催化材料多受限于光谱响应范围窄、光催化活性低等瓶颈，实际应用仍然有限。开发新型、宽光谱响应光催化材料是突破当前技术瓶颈、发展光催化技术的关键。

光响应性聚合物具有合成策略灵活、光谱吸收连续可调、织态结构可控、易加工成型等特点，为发展光催化技术提供了新思路、新材料。当前，基于光响应聚合物制备宽光谱吸收高活性光催化材料的方法主要有以下几种：

1、基于线性或交联结构的共轭聚合物制备光催化材料。例如，聚噻吩、聚吡咯、聚芴、多孔共轭聚合物, D-A共轭聚合物（D：电子给体；A：电子受体）等被广泛用于制备高活性光催化材料。此类共轭聚合物具有带隙可调、载流子迁移率高等优点，具有很高的光催化活性。然而，通常共轭聚合物面临价格昂贵（例如，以应用相对广泛、价格相对低廉的聚3-己基噻吩为例，其价格大约为3000元/克），合成方案复杂且难放大（以合成性能相对优异的聚并吡咯二酮-异靛蓝D-A共轭聚合物为例，通常需要3 ~ 4步反应且仅能获得克级产物），以及光稳定性不高等问题，限制了它在实际场景中的应用；

2、基于热解聚乙烯醇、聚丙烯腈制备光催化材料。这类光催化材料以聚乙烯醇、聚丙烯腈等非共轭聚合物为前驱体，通过热分解（聚乙烯醇：220 ~ 250℃；聚丙烯腈：200 ~ 300℃）形成共轭聚合物，具有制备方法简单、易操作，光谱响应宽，光催化活性较高等优点。然而，高的热解温度常导致这类材料的结构不可控、性能不稳定，在实际使用过程中存在光热稳定性不好等问题，使得这类光催化材料的实际应用受限；

3、石墨相氮化碳（g-C₃N₄）。此类光催化材料是目前研究最为广泛的一类聚合物光催化材料，由密胺或者密勒胺通过高温热缩合所得。这类材料具有原料价格低廉、制备方法简单等优势。虽然通过共聚、后改性等方法可微调其光谱响应范围及光催化活性，但由于高的合成温度（550 ℃）限制了可用于聚合、共聚的单体，此类光催化剂通常仅在 200 ~ 470 nm范围内有光响应。然而太阳光的能量主要集中在高波部分，其中可见光（400 ~ 800 nm）占其总能量的48.3%、红外光（>800 nm）占48.3%，可见，进一步拓展聚合物光催化剂对可见光及近红外光谱的响应，对有效利用太阳能、提升光催化效率尤其重要。

相对低廉、稳定的单体和易于工业化的合成路线，设计、发明一种新型光化学稳定、宽光谱吸收的新型聚合物光催化剂，并建立对应的制备方案，将是一个很有价值的发明成果。

发明内容

本发明的目的是针对现有聚合物光催化材料所存在的不足，提供一种基于聚萘酰亚胺的宽光谱响应聚合物光催化材料及其制备方法。

本发明的目的由以下技术措施实现，其中所述原料份数除特殊说明外，均为重量份数，制备宽光谱响应聚萘酰亚胺光催化材料的方法如下：