一种CNC/g-C3N4纳米复合材料及其制备和应用

一种cnc/g-c3n4纳米复合材料及其制备和应用
技术领域
1.本发明属于功能性复合材料及其制备和应用领域，特别涉及一种cnc/g-c3n4纳米复合材料及其制备和应用。


背景技术：

2.石墨相氮化碳(g-c3n4)是一种无毒、原料廉价易得的半导体材料，与其他常用的tio2、zno等半导体材料相比，其不含金属元素、带隙较窄(2.7ev)、化学稳定性好，因此，g-c3n4在太阳能转化和污染物降解等方面有较大的潜力。目前g-c3n4已被广泛应用于燃料电池、光催化降解、气体储存、二氧化碳还原、光解水制氢等诸多领域。然而，传统方法制备的g-c3n4存在光吸收不充分、比表面积小、载流子复合快等缺点，从而大大降低了其有机污染物降解效率。因此国内外学者通过多种途径来提高g-c3n4的光催化能力，比如金属掺杂、非金属掺杂、形貌调控及与其他材料复合等。
3.cn110327955a一种碳纤维互穿微异质结氮化碳光催化剂的制备方法，合成步骤复杂，制备周期长。而本发明纤维素纳米纳米微晶对其形态结构进行调控，g-c3n4纳米材料形成在纳米尺寸的微晶表面，形成三维纳米结构尺寸，结构新颖，合成方法简单，循环稳定性好。对石墨向氮化碳的导带价带调控方向不同，cn110327955a调控g-c3n4还原性能，将其利用应用于o2还原产生h2o2，而本发明通过结构纳米调控，提高了g-c3n4的氧化能力，将其应用于光氧化降解有机污染物。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是提供一种cnc/g-c3n4纳米复合材料及其制备和应用具有，结构新颖的cnc/g-c3n4纳米复合材料为三维纳米结构尺寸，克服传统方法制备的g-c3n4存在光吸收不充分、比表面积小、载流子复合快等缺点，提高其对有机污染物的降解效率。
5.本发明的一种cnc/g-c3n4纳米复合材料，所述纳米复合材料以含尿素、纤维素纳米晶的原料，通过热聚合获得。
6.本发明的一种cnc/g-c3n4纳米复合材料的制备方法，包括：
7.将熔化的尿素中加入纤维素纳米晶cnc溶液，搅拌混匀，煅烧，降温，得到cnc/g-c3n4纳米复合材料。
8.上述制备方法的优选方式如下：
9.所述熔化的尿素具体为：尿素于容器中并密封，将容器置于140～150℃油浴锅内加热，使得尿素熔化。
10.所述纤维素纳米晶cnc溶液的浓度为0.5～2.5g/l。
11.所述cnc与尿素的质量比为：1:2.8
×
105～1:1.25
×
105。
12.所述搅拌时间为5～10min。
13.所述煅烧为以3～10℃/min的升温速度从室温升温至350～400℃，并在该温度下
煅烧1～2h；之后由设定温度以3～10℃/min的升温速度温至550～600℃，并在该温度下煅烧2～3h。
14.所述搅拌混匀后倒入坩埚中，用锡纸将坩埚包裹紧密，再盖紧坩埚盖，马弗炉中煅烧，马弗炉降至200℃后开盖降温。
15.本发明的一种所述cnc/g-c3n4纳米复合材料作为光催化剂的应用。
16.本发明纤维素纳米纳米微晶对其形态结构进行调控，g-c3n4纳米材料形成在纳米尺寸的微晶表面，形成三维纳米结构尺寸，结构新颖，合成方法简单，循环稳定性好。
17.本发明通过结构纳米调控，提高了g-c3n4的氧化能力，将其应用于光氧化降解有机污染物。
18.纤维素纳米晶(cellulose nanocrystal，cnc)是一种直径在2～20nm、长度100～500nm的刚性短棒状晶体。其结晶度高，作为碳前驱体可制备具有更高石墨化程度和更大比表面积的纳米生物质炭。g-c3n4与cnc杂化一方面可以利用碳材料优质的导电性，抑制光生载流子复合；另一方面cnc具有较大的比表面积，同时在聚合过程中与g-c3n4之间形成c-o-c键，提高了亲水性。这些因素的协同作用使制备的cnc/g-c3n4光催化材料具有优异而稳定的光催化性能，在环境净化方面具有重要的应用潜力。
19.有益效果
20.1.本发明采用一步聚合法，制备方法简单易行，可重复性强，且无需后续处理。
21.2.本发明产物进行可见光光催化性能测试，结果表明本发明所制备的cnc/g-c3n4复合光催化材料对罗丹明b模拟废水的降解率达到95％以上，而相同条件下制备的g-c3n4降解率仅为45％左右。
22.3.本发明方法制备的cnc/g-c3n4复合光催化材料，可以抑制光生载流子复合。此外，cnc与g-c3n4之间形成的c-o-c键提高了材料的亲水性，与原始的g-c3n4相比，cnc/g-c3n4纳米复合材料表现出更强的吸附和光催化活性。
附图说明
23.图1为实施例1所制备的cnc/g-c3n4和对比例1制备的g-c3n4光催化剂对rhb的降解效率对比图。
24.图2为实施例1的循环稳定性。
具体实施方式
25.下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本技术所附权利要求书所限定的范围。
26.原料来源及规格参数：
27.尿素(分析纯、国药集团化学试剂)；
28.罗丹明b(rhb)分析纯、上海泰坦科技；
29.纤维素纳米晶(cnc)(长度50～200nm，直径5～20nm，分子量：35000左右，上海闪思纳米科技有限公司)
30.实施例1
31.(1)称取10.5g尿素于150ml烧杯中并密封，将烧杯置于150℃油浴锅内加热。
32.(2)待尿素全部熔化后，加入40μl cnc溶液(1g/l)，搅拌5min，混合均匀。
33.(3)待反应物混合均匀后，倒入30ml刚玉坩埚中，用耐高温的锡纸将坩埚包裹紧密，再盖紧坩埚盖，置于马弗炉中，在空气气氛下进行高温处理，首先在室温条件下，以5℃/min的升温速率在400℃下煅烧1h。之后升温至550℃煅烧3h(升温速率为5℃/min)。
34.(4)待马弗炉降至200℃后开盖降温，取出刚玉坩埚打开密封的锡纸，得到淡黄色的催化剂粉末。
35.实施例2
36.(1)称取21g尿素于150ml烧杯中并密封，将烧杯置于150℃油浴锅内加热。
37.(2)待尿素全部熔化后，加入80μl cnc溶液(1g/l)，搅拌5min，混合均匀。
38.(3)待反应物混合均匀后，倒入30ml刚玉坩埚中，用耐高温的锡纸将坩埚包裹紧密，再盖紧坩埚盖，置于马弗炉中，在空气气氛下进行高温处理，首先在室温条件下，以5℃/min的升温速率在400℃下煅烧1h。之后升温至600℃煅烧3h(升温速率为5℃/min)。
39.(4)待马弗炉降至200℃后开盖降温，取出刚玉坩埚打开密封的锡纸，得到淡黄色的催化剂粉末。
40.对比例1
41.在室温条件下，将10.5g尿素加入坩埚内，用锡纸密闭后盖上坩埚盖子，转移至马弗炉中进行热处理，以5℃/min的升温速率升温至400℃下煅烧1h。之后以5℃/min升温至550℃煅烧3h。得到黄色粉末，也就是石墨相氮化碳，简写为gcn。
42.以实施例1为例，对其性能进行测试：
43.将实施例1的产物应用于降解罗丹明b的讲解，具体包括以下步骤：
44.分别称取20mg催化剂分散在50ml初始浓度为5mg/l的罗丹明b溶液中，开启磁力搅拌器，暗吸附30min，使催化剂和目标降解物达到吸附脱附平衡。随后打开500w氙灯，每隔30min取样4ml，用0.22μm微孔滤膜过滤后通过uv-3100型紫外可见分光光度计在各物质的最大吸收波长下测定溶液的吸光度。结果表明本发明所制备的cnc/g-c3n4复合光催化材料对罗丹明b模拟废水的降解率达到95％以上，循环3次后，降解率仍然能达到85％以上，循环性能好。而如对比例1相同条件下制备的g-c3n4降解率仅为45％左右。
45.本发明与cn 110327955 a结构不同，cn 110327955 a主要是应用还原产双氧水，而本发明在于通过调控三维纳米结构尺寸，获得结构新颖，催化效率高的光催化材料，提高石墨相氮化碳的吸附及氧化性能，促使其更有效的氧化降解有机污染物。两者在应用方向上没有可比性。