[发明专利]一种含三配位氮空位g-C3

说明书

本发明公开了一种含三配位氮空位g‑C₃N₄的制备方法及其应用。本发明采用硫化钠或硫化钾与多种前驱体，如：三聚氰胺、硫脲、尿素、二氰二胺和氰胺等，一步共煅烧的方法制备含有三配位氮空位的g‑C₃N₄，该方法简单易行，不需要复杂的设备，适用于工业化生产，其应用领域属于环境修复材料和高级氧化技术领域。以该含三配位氮空位的g‑C₃N₄为载体，在其表面掺杂铜等过渡金属，可制备性能优异的类芬顿催化剂，用于降解水中多种有机污染物，如：有机染料、酚类、抗生素、氯代有机物等，其性能明显优于不含三配位氮空位的g‑C₃N₄。

技术领域

本发明涉及环境修复材料和高级氧化技术领域，具体涉及一种含三配位氮空位（N3c）的g-C₃N₄制备及其应用。利用该方法制备的g-C₃N₄具有大量的N3c空位，在其表面掺杂铜等过渡金属后可作为类芬顿催化剂，能够有效的催化过氧化氢（H₂O₂）和氧化降解水中的有机污染物，有效提升过渡金属/g-C₃N₄类芬顿体系的催化性能，减少催化剂及过氧化氢的用量，降低类芬顿催化剂的成本。

背景技术

g-C₃N₄是一种常见的富电子材料，它由廉价的前驱体，如尿素、二氰胺、三聚氰胺和硫脲通过简单的热聚合制备。g-C₃N₄中的碳和氮原子均以sp²形式杂化，在七嗪环单元上形成一个局部的π共轭结构。它均匀高密度的氮原子和“六重腔”可以牢牢地捕获过渡金属原子（TM）。g-C₃N₄的π电子可以通过TM-N键转移到过渡金属活性位点上，提高该位点电子云密度。该位点可以迅速激活H₂O产生强氧化性自由基降解水中的有机污染物。然而，由于g-C₃N₄的局部π-共轭结构，可用的π-电子的数量有限，因而通过过渡金属和g-C₃N₄简单复合只能有限提升催化剂的类芬顿性能。

众所周知，g-C₃N₄中氮原子的空位会产生部分结构畸变，使g-C₃N₄的电子结构发生改变，增强七嗪环结构单元中的孤对电子数量，并增强其π电子离域性。本发明制备的g-C₃N₄材料去除部分N3c氮原子后（图1所示），由于缺乏电子受体，剩余氮原子的电子云密度会增加。升高的电子密度将通过TM-N键转移到过渡金属活性位点上。从理论上讲，和二配位氮（N2c）空位相比，N3c空位能提供更多的孤对电子，从而为类芬顿氧化过程提供更多的电子。

因此，通过简易的方法在g-C₃N₄引入N3c空位后，可以增强过渡金属活性位点的电子云密度，使其类芬顿性能大大增强，同时还可以降低催化剂用量，降低水处理成本，对类芬顿技术处理有机废水有重大意义。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种含三配位氮（N3c）空位g-C₃N₄的制备方法，该方法制备的g-C₃N₄中氮空位位于七嗪环结构单元（C₆N₇）的中间位置，因此属于三配位氮缺陷（N3c）。该方法可在较低的温度下通过一步煅烧碱金属硫化物和富氮前驱体合成，制备方法条件温和、简单，可量产制备，同时通过改变反应物配比可使N3c空位浓度连续可调。