[发明专利]一种纳米纤维素氮化碳复合膜及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种纳米纤维素和氮化碳复合膜，其包括一层或多层纳米氮化碳层，和用于支撑所述纳米氮化碳层的纳米纤维素构成的层。本发明还公开了所述纤维素和氮化碳复合膜的制备方法和用途。

技术领域

本发明属于光催化材料及薄膜反应器技术领域，具体涉及一种纳米纤维素和层氮化碳复合光催化薄膜及其制备方法。

背景技术

氮化碳是一种非常有吸引力的非金属光催化剂，其具有良好的电子结构、优异的热稳定和化学稳定性、对环境友好以及易于用丰富廉价的原材料合成等优点。但由于其电导率低、载流子复合快、表面活性位点少等缺点，极大地限制了其在水分解和光有机合成领域的应用。近年来，大量的工作都致力于制备层数较少甚至单层的氮化碳，但已报道的制备方法中大部分都是采用先制备后剥离的方法；这些方法存在低效、过程繁杂、高耗能的缺点。模板剂作为其形貌调控的手段广泛应用在氮化碳片片的制备上，但是现有的模板剂如AAO(阳极氧化铝)、TiO₂等在后期去除过程中需要利用含氟溶液，造成二次污染。另一方面，氮化碳既难溶于大多数溶剂且成膜性差，而良好的分散性及成膜性对于常规镀膜方法(如滴涂法及旋涂法等)在各种基底表面可控制备薄膜至关重要。因此，将石墨相氮化碳应用到薄膜器件中具有很大的挑战性。

发明内容

本发明的目的在于公开一种纳米纤维素和氮化碳复合膜、其制备方法及用于光催化降解有机物反应的用途。为了达到上述目的，本发明提出通过加入纳米纤维素模板，利用纳米纤维素自身的三维网状结构给氮化碳制备的前驱体提供支撑；对含有氮化碳前驱体的胶体采用定向液氮快速冷冻的方法，使纳米纤维素保持其自身的三维网状结构，经冷冻干燥得到含有氮化碳前驱体的定干凝胶，再对干凝胶进行热处理及超声处理，得到一种氮化碳材料；然后利用纳米纤维素的成膜特性作为支撑层，在纳米纤维素薄膜表面覆盖氮化碳片层，最终制备出具有光催化反应活性的复合膜。

本发明的技术方案如下：

本发明的第一方面公开了一种纳米纤维素和氮化碳复合膜，其包括一层或多层纳米氮化碳层、和用于支撑所述纳米氮化碳层的纳米纤维素构成的层。

优选地，所述氮化碳分子式为C₃N_2-6，所述纳米氮化碳层的厚度为1-1000nm，面积为10nm²-1000nm²，其中氮元素含量为50.0wt％-70.0wt％。

优选地，所述纳米纤维素构成的层中的纳米纤维素为直径小于1000nm的纤维素。

优选地，所述纳米纤维素构成层的定量为20g/m²-60g/m²，即每平方米上的纳米纤维素为20g-60g。

本发明第二方面公开了所述纳米纤维素和氮化碳复合膜的制备方法，包括如下步骤：

①将氮化碳前驱体和纳米纤维素按照质量比为(1-9)∶(9-1)溶解在水中，然后超声处理0.5-1.5小时得到含氮化碳前驱体的纳米纤维素凝胶；利用纳米纤维素自身的三维网状结构给氮化碳制备前驱体提供支撑；

②将步骤①得到凝胶在液氮中冷冻72小时以上，得到干凝胶；具体为：将步骤①得到凝胶移至离心管中，将该离心管中的凝胶全部浸没在液氮中，然后停止下降并保持此状态30分钟；再将离心管置于冻干机中冻干72小时以上；得到具有定向孔结构的网状结构的干凝胶；

③将步骤②得到干凝胶在氮气保护下升温至400-600℃并恒温2-6小时，然后降至室温，得到氮化碳；具体为将步骤②得到干凝胶至于管式炉中，通入氮气作保护气体升温和恒温；

④将步骤③得到的碳化物再次升温至400-600℃并恒温2-4小时，具体为将碳化物放置在马弗炉中升温和恒温；降至室温后将样品在水中超声处理0.5-1.5小时，得到固体含量为0.1wt％-1wt％的含氮化碳分散体系；