[发明专利]一种表面拉电子基团修饰的超薄石墨相氮化碳纳米片光催化材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种表面拉电子基团修饰的超薄石墨相氮化碳纳米片光催化材料的制备方法与应用，属于功能纳米材料制备、太阳能利用与环境保护技术领域。该方法为：采用富氮前驱体(尿素、二腈二胺或三聚氰胺)为原料结合高分子结构导向剂，热聚合制备得到超薄g‑C₃N₄纳米片(UCN)；然后利用苯磺酰氯通过酰基化反应中直接在UCN表面嫁接苯磺酰基拉电子基团。本发明通过在UCN表面嫁接苯磺酰基拉电子基团，能够解决g‑C₃N₄作为高效光催化材料所面临的光生载流子复合严重的问题。本方法简单可行，所制备的材料可直接应用于太阳光下水中污染物(有机物、致病微生物)的光催化净化，具有重要的应用前景。

技术领域

本发明涉及功能纳米材料制备、太阳能利用与环境保护技术领域，具体涉及一种表面拉电子基团修饰的石墨相氮化碳纳米片光催化材料及其制备方法和应用。

背景技术

近些年在光催化净水领域中，非金属聚合物光催化材料g-C₃N₄因其易于合成、环境友好及较好的热稳定和化学稳定性的特征而受到广泛的关注。然而，将合成的块体g-C₃N₄光催化剂应用于实际仍然面临着巨大的挑战；究其原因，其主要归结为严重的载电荷复合问题极大地限制了其光催化性能。为了解决上述问题，一个非常有效的策略是剥离块体g-C₃N₄制备超薄纳米片。超薄g-C₃N₄纳米片的结构特征不仅能提供大量表面活性位点并且能有效缩短光生载流子从体相迁移到表面的距离进而减少光生载流子的复合。上述策略虽然能在一定程度上提高g-C₃N₄光催化效率，但是却面临以下问题：(1)剥离块体g-C₃N₄制备超薄纳米片的工艺面临着耗时、产量低等问题；(2)超薄纳米片结构主要解决了光生载流子体相迁移复合问题，但是对光生载流子表面复合问题并没有有效缓解。另外，虽然大量研究表明在材料表面负载贵金属能有效降低光生载流子表面复合，但是却面临着高昂成本的问题。因此，如何通过合理的设计，探索大规模制备具有高效光生载流子分离效率的g-C₃N₄光催化净水材料，是太阳能高效利用与环境修复领域一个十分重要的研究方向。

发明内容

本发明的目的在于提供一种表面拉电子基团修饰的超薄石墨相氮化碳纳米片光催化材料的制备方法和应用。通过制备具有超薄结构特征的g-C₃N₄纳米片结合在其表面修饰拉电子基团苯磺酰氯，以同时实现g-C₃N₄光催化材料中体相和表面光生电子与孔穴的有效分离进而从根本上提高光催化材料体系的光催化净水能力。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种表面拉电子基团修饰的超薄石墨相氮化碳(g-C₃N₄)纳米片光催化材料的制备方法和应用。通过高分子结构导向剂辅助富氮前驱体一步热聚合制备超薄氮化碳纳米片(UCN)，进一步通过化学嫁接处理得到表面拉电子基团修饰的超薄石墨相氮化碳(g-C₃N₄纳米片)光催化材料。

所富氮前驱体为尿素、氰胺、二腈二胺或三聚氰胺。

所述高分子结构导向剂为分子量一万到四万的聚乙二醇粉末。

所述的表面拉电子基团修饰的UCN光催化材料的制备方法，具体制备过程包括如下步骤：

(1)将富氮前驱体与高分子结构导向剂按一定比例加入到装有去离子水的烧杯中，在80℃水浴条件下强烈搅拌至前驱体完全溶解至澄清溶液。

(2)将步骤(1)得到的澄清溶液转移到80℃干燥箱，烘干12小时得到白色固体粉末。