[发明专利]一种纳米纤维素复合石墨相氮化碳/COF异质结光催化剂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复合石墨相氮化碳/COF异质结光催化剂及其制备方法和应用，首先利用高温热聚合的方式，以三聚氰胺为前驱体制备石墨相氮化碳；再以氧气对其在高温下进行刻蚀，得到片状CN，并用盐酸或硫酸对其进行质子化处理得到质子化氮化碳。然后将三醛基间苯三酚，2,4,6‑三（4‑氨基苯基）‑1,3,5‑三嗪，纤维素纳米纤丝，质子化氮化碳分散于二甲基亚砜溶液中；最后在氩气条件下，通过“一锅法”水热聚合的方式得到PCN/CNF/COF三元异质结光催化材料。本发明的异质结光催化剂具有比表面积高、光生电子转移速率快、光生载流子分离效率高等优点，同时是一种环保型的光催化材料，可在可见光下光催化合成氨。

技术领域

本发明属于光催化剂技术领域，具体涉及一种纳米纤维素复合石墨相氮化碳/COF异质结光催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

氨气(NH₃)是一种生产应用中极为重要的生产原料，它可用于制造氨水、氮肥 、硝酸、铵盐、纯碱等，广泛应用于化工、轻工、化肥、制药等领域。除此之外，液氨通常可以作为一种制冷剂，同时，氨还可以作为一种生物燃料。上个世纪以来，关于合成氨工业为解决人口增长所带来的粮食问题带来了希望。现在，百分之八十的化肥生产都离不开合成氨工艺，即Haber-Bosch工艺。不过这种工艺能耗巨大，同时，此工艺会产生大量的二氧化碳。根据统计，每年在合成氨的工艺中，天然气消耗量占据了全球的百分之三，能耗方面占据了全球的百分之一，温室气体的排放量达到了全球的百分之一。这对其可持续性和生产成本产生了负面影响。因此，寻求一种新型的产氨工艺已经成为了一种巨大挑战，也是21世纪以来科研界解决的重大问题之一。本专利将会介绍一种利用太阳能这种理想的绿色能源进行光催化固氮产氨的生产工艺，该工艺所利用的生产原料为高纯氮气且该法是在室温下进行，无需额外加热加压。此外，该光催化方法不需要使用牺牲剂，产品无需提纯除杂质，是一种安全、绿色的方法。

石墨化碳氮化物(g-C₃N₄）作为一种非常具有吸引力的共轭聚合物，它有着极高的物理化学稳定性和可调节的电子能带结构等性质，研究者对其在太阳能转化和环境修复领域中做出了大量的研究。通过大量研究发现g-C₃N₄ 仍然具有一些不足之处，如比表面积较小、光生电子空穴对复合效率高、电子转移慢等问题，这些缺点极其不利于其光催化活性。因此，改性氮化碳可以提高光催化活性。其中改性氮化碳可以通过金属掺杂、非金属掺杂，半导体复合等方式。最终，这些研究结果表明，以上方式提升效果不明显。为了改善上述情况，本申请采用了三聚氰胺作为前驱体，通过热缩合的方法构建超薄石墨相氮化碳，再引入盐酸对其进行质子化改性，通过“一锅法”水热聚合的方式得到一种PCN/CNF/COF三元异质结光催化材料，大大提高了点荷载流子的传输速率，改善载流子的分离效率，提高了氨气的产生效率。

发明内容

本发明要解决的技术问题，在于提供一种纳米纤维素复合g-C₃N₄/COF异质结光催化剂的制备方法，该方法制备的异质结光催化剂具有比表面积高、光催化反应活性高，电荷载流子传输效率高等优点，同时是一种环保型的光催化材料，可用于在可见光下的光催化合成氨。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种纳米纤维素复合g-C₃N₄/COF异质结光催化剂的制备方法如下：

首先以三聚氰胺为前驱体，用热缩合的方法制备g-C₃N₄，然后用氧气刻蚀，对其进行剥离得到片状g-C₃N₄，提高其比表面积和催化活性位点;最后利用盐酸或硫酸对其进行质子化处理；

在氩气氛围下，将质子化氮化碳（PCN），三醛基间苯三酚（TP），2,4,6-三（4-氨基苯基）-1,3,5-三嗪（TTA），纳米纤维素（CNF）按一定比例均匀分散于二甲基亚砜（DMSO）溶剂中；