[发明专利]一种碳氮双缺陷优化的三维蜂窝型气凝胶及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种碳氮双缺陷优化的三维蜂窝型气凝胶及其制备方法和应用。在常温常压下，由石墨碳作为基底构筑气凝胶，并通过在石墨碳上锚定共价三嗪骨架作为光催化剂，形成气凝胶，同时通过还原剂对该气凝胶中的碳和氮缺陷进行同步优化，形成了一种碳氮双缺陷优化的三维蜂窝型气凝胶，其对二苯甲酮类的紫外吸收剂具有超高的吸附及光催化降解能力，且可通过调节还原剂的还原性能，对该气凝胶的缺陷优化程度进行调节。本发明的碳氮双缺陷优化的三维蜂窝型气凝胶原料组成无金属掺杂，合成方法简单可控，并对二苯甲酮类污染物具有超高的催化降解性能，使用后的气凝胶可在阳光暴露下实现污染物的矿化降解及自身的再生，可用于环境污染修复、化工等领域。

技术领域

本发明属于材料制备领域，尤其涉及一种碳氮双缺陷优化的三维蜂窝型气凝胶及其制备方法和应用。

背景技术

近年来，将光催化和吸附剂材料结合在一起，通过从水中富集有机污染物，然后利用太阳光矿化污染物并同时再生吸附剂已成为一种新兴的水污染处理技术。其对污染物去除的普适性和绿色的再生方式，使其适用于各种复杂水体的污染治理。

总所周知，在材料构筑的过程中，难免会存在各种缺陷，其在不同程度上会影响材料性能的开发。因此，传统的吸附-再生材料由于缺陷的存在还具有一定的局限性，比如：吸附能力有限，无法快速有效的吸附水体中的污染物；而且再生方式过程中利用的太阳能有限，往往需要暴露在过长的太阳光下，限制了该方法对污染物的去除效率。通过缺陷工程优化材料性能，同时提高材料的吸附性能和光催化性能已经成为一种可靠的手段。

在本发明中，我们通过一步还原法实现了该材料的碳氮双缺陷的优化，同步增强了三维蜂窝型气凝胶的吸附性能和光催化性能，使其能高效的吸附水中的污染物，同时扩大的光吸收的范围，提高了太阳光的利用效率。该材料的开发，为通过缺陷工程发开高性的材料，以及普及吸附光再生材料在水污染治理领域的应用具有至关重要的作用。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种碳氮双缺陷优化的三维蜂窝型气凝胶及其制备方法和应用，本发明的碳氮双缺陷优化的三维蜂窝型气凝胶在制备过程中既不需要高温高压，制备过程能耗低，污染小；又使气凝胶保持宏观的三维结构。本发明三维蜂窝型气凝胶的碳氮缺陷通过优化，使其具有高效的吸附和光催化性能，使用后的催化剂还便于回收利用。

为了使三维蜂窝型气凝胶的碳氮缺陷优化，本发明采用了一种全新的思路：利用还原剂蒸汽，熏蒸三维蜂窝型气凝胶，在最大程度上保留了三维蜂窝型气凝胶的宏观结构；同时，还原剂熏蒸的方式，也使气凝胶内部的碳和氮缺陷与还原剂充分接触，高效的实现了缺陷优化。

进一步地，通过还原剂蒸汽对CTFs锚定的GC气凝胶进行熏蒸还原的过程为：在密封石英锅中加入质量浓度40%~80%的水合肼溶液，将气凝胶放置于透气网架上后一并设于密封石英锅内，且透气网架悬于水合肼溶液的正上方；然后对密封石英锅进行水浴加热，使水合肼溶液在80~90℃的温度环境下挥发形成还原剂蒸汽，气凝胶在该还原剂蒸汽中熏蒸还原0.5~4 h，熏蒸时间优选为2.5-3.5h，即处理完成。

其中，水合肼溶液有一定的挥发性，但是在常温下挥发速率太慢不易在密闭环境中产生还原蒸汽氛围。本发明对密封石英锅进行水浴加热，使水合肼溶液处在80~90℃的温度环境下，加速水合肼挥发的过程，有利于气凝胶在还原剂蒸汽的气氛中熏蒸还原，使气凝胶中的碳和氮缺陷同步优化，形成碳氮双缺陷优化的三维蜂窝型气凝胶。

另外，本发明对气凝胶的结构进行还原优化时，是在还原剂蒸汽的气氛中熏蒸下进行，还原反应过程较为平缓稳定，气凝胶容易重新组装形成碳氮双缺陷优化的三维蜂窝型气凝胶，在还原的过程中气凝胶与气态的水分进行接触，也能增加气凝胶在水中的稳定性，防止其结构出现崩塌的现象发生。