羟基官能化双掺杂高结晶度氮化碳及其制备方法和应用

c3n4本体结构中，得到了无机碱掺杂g-c3n4以其为可见光光催化剂，异丙醇为质子给体，在酸性条件下（ph=3）从纯水、纯氧出发合成h2o2，产率704μmol/g.h。在此报道基础上wu等[shuai wu, hongtao yu, shuo chen, and xie quan. enhanced photocatalytic h2o2production over carbon nitride by doping and defect engineering[j]acs catal. 2020, 10, 14380-14389.]基于掺杂和缺陷思路，从本体g-c3n4出发，采用原位离子热法，得到了n空位掺杂k/na离子的g-c3n4，通过缺陷和离子掺杂的协同催化作用，实现了禁带宽度有效下降（由2.85 降至 2.63 ev），其作为光催化剂，异丙醇为牺牲剂，纯氧为o2源，以超纯水为原料，合成产率10.2 mmol/h/g。zhan等[zhang x, et al. band alignment of homojunction by anchoring cn quantum dots on g-c3n4 enchance photocatalytic hydrogen peroxide evolution[j]applied catal. b：envir. 2022 300:e20736]引入具有优异光诱导电荷转移和储存性的碳量子点（cds），采用自下而上策略，将硫掺杂g-c3n4与碳量子点共混后热聚，得到了多孔s-c3n4/碳量子点纳米复合体，以其为光催化剂，在可见光照射下，实现了纯水氧化为h2o2，产率115μmol/ l. h。为驱动 g-c3n4 层内、层间光生电荷的运输以及抑制其重组提供了一条新的思路。zhao等[heng zhao, qiu jin, rational design of carbon nitride for remarkable photocatalytic h2o2production[j] chem.catalysis,2022, 2, 1.14.]借助dft理论计算，构建了氮化碳本体结构中同时引入杂原子氧、氰基官能团的改性g-c3n4，利用杂原子氧提升光催化活性，氰基官能团避免生成有h2o2的分解，h2o2产率达到5.57 mm/h。he等[hem, zhang zh et al.tensile strain in tin oxideclustes stabilized by c3n4 for highly efficient visble light-driven h2o2production[j]acs sustainable chem. eng.2022,104494-4503.]g-c3n4利用结构中活性氨基作为反应位点，通过与乙酸锡原位反应形成的n-sn键，在g-c3n4结构中成功引入sno2单元，构建了sno2@ g-c3n4。以其为催化剂，柠檬酸缓冲液为反应体系，纯氧为o2源合成过氧化氢，产率1021μmol/g.h。
[0005]
综上报道，启发我们：1）从光物理过程的调控入手，同时在本相氮化碳结构中引入碳量子点、金属离子，通过协同催化作用，生成更多的光生载流子，降低光生电子/光生空穴复合速度，提升可见光催化活性；通过分子间的内建电场，促进激子迅速分离，拓展对可见光的吸收范围。2）通过形貌调控，引入气相模板剂，构建多孔形貌氮化碳，提升g-c3n4比表面，增加反应催化位点；3）针对水分子与分子氧两相间反应的特点，在g-c3n4表面引入强极性羟基官团，促进水分子、o2分子在催化位点的有效接触和反应，促进生成的h2o2及时从催化位点移出，从而降低过氧化反的分解；4）通过晶体工程，构建高结晶度氮化碳，提升其催化活性的稳定性和机械强度，实现g-c3n4的回收和循环使用。5）针对报道中以高成本的纯水、纯氧为原料，需要加入对环境有害的异丙醇等添加剂，反应在酸性条件下进行等不足，发展直接以原海水为原料、空气为o2源，于室温、常压条件下，以环境污染友好的乙醇或乳酸为添加剂，合成过氧化氢的高效、绿色新方法。


技术实现要素：

[0006]
本发明的目的之一，以双氰胺或三聚氰胺或氰尿酸三聚氰胺与柠檬酸或酒石酸或山梨醇或甘露醇或双季戊四醇构建的超分子为前驱体，草酸铵或乙二酸铵、丙二酸铵、丁二酸铵、己二酸铵、癸二酸铵为气相模板剂和结构改性剂，氯化钾或氯化钾/氯化锂为引入离
子源和热熔盐，经原位热聚反应，将纳米碳量子点、钾离子或钾/锂双离子同时植入到 g-c3n4骨架中，提出了一种羟基官能化碳量子点/离子双掺杂高结晶度g-c3n4。
[0007]
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：所述羟基官能化双掺杂高结晶度氮化碳，以双氰胺（缩写为d）或三聚氰胺（缩写为m）或氰尿酸三聚氰胺（缩写为mcr）、柠檬酸（缩写为ca）或酒石酸（缩写为ta）或山梨醇（缩写为sb）或甘露醇（缩写为ma）或双季戊四醇（缩写为dp）为原料，经水热反应得到超分子前驱体，超分子前驱体与氯化钾或氯化钾/氯化锂，草酸铵（表示为1）或乙二酸铵（表示为2）或丙二酸铵（表示为3）或丁二酸铵（表示为4）或己二酸铵（表示为6）或癸二酸铵（表示为6），经原位热聚将碳量子点、钾离子或钾/锂双离子同时植入g-c3n4骨架中，得到系列羟基官能化量钾/柠檬酸掺杂g-c3n4（简写为k/ca@g-c3n4-d-1-6、k/ca@g-c3n4-m-1-6）、k/ca@g-c3n4-mcr-1-6）或系列羟基官能化钾/锂/柠檬酸掺杂g-c3n4（简写为k/li/ca@g-c3n4-d-1-6、k/li/ca@g-c3n4-m-1-6、k/li/ca@g-c3n4-mcr-1-6）或系列羟基官能化钾/酒石酸掺杂g-c3n4（简写为k/ta@g-c3n4-d-1-6、k/ta@g-c3n4-m-1-6、k/ta@g-c3n4-mcr-1-6）或系列羟基官能化钾/锂/酒石酸掺杂g-c3n4（简写为k/li/ta@g-c3n4-d-1-6、k/li/ta@g-c3n4-m-1-6）、k/li/ta@g-c3n4-mcr-1-6或系列羟基官能化钾/山梨醇掺杂g-c3n4（简写为k/sb@g-c3n4-d-1-6、k/sb@g-c3n4-m-1-6、k/sb@g-c3n4-mcr-1-6）或系列羟基官能化钾/锂/山梨掺杂g-c3n4（简写为k/li/ sb@g-c3n4-d-1-6、k/li/sb@g-c3n4-m-1-6、k/li/sb@g-c3n4-mcr-1-6）或系列羟基官能化钾/甘露醇掺杂g-c3n4（简写为k@/ma@g-c3n4-d-1-6、k@/ma@g-c3n4-m-1-6）、k@/ma@g-c3n4-mcr-1-6）或系列羟基官能化钾/锂/甘露醇掺杂g-c3n4（简写为k/li / ma @g-c3n4-d-1-6、k/li /ma @g-c3n4-m-1-6、k/li / ma@g-c3n4-mcr-1-6）或系列羟基官能化钾/双季戊四醇掺杂g-c3n4（简写为k/li / ma @g-c3n4-d-1-6、k/li / ma @g-c3n4-m-1-6、k/li / ma @g-c3n4-mcr-1-6）或系列羟基官能化钾/锂/双季戊四醇掺杂g-c3n4（简写为k/li/ dp@g-c3n4-d-1-6、k/li/dp@g-c3n4-m-1-6、k/li/ dp@g-c3n4-mcr-1-6）。
[0008]
进一步地，步骤s1中氮化碳前驱体为双氰胺、三聚氰胺或氰尿酸三聚氰胺；含羟基官能团化合物为柠檬酸铵、酒石酸铵、山梨醇、甘露醇或双季戊四醇；氮化碳前驱体与含羟基官能团化合物的质量比为1: 0.05～1。
[0009]
进一步地，步骤s2中钾盐和锂盐分别为氯化钾和氯化锂；气相模板剂为草酸铵、乙二酸铵、丙二酸铵、丁二酸铵或己二酸铵或癸二酸铵；超分子前驱体、钾盐或钾盐和锂盐的混合物、气相模板剂的质量比为1:1.5～3:0.05～1。
[0010]
进一步地，步骤s2中煅烧条件为：升温速度为2.0℃/min，加热至550～650℃，反应3～5 h。
[0011]
更具体地，羟基官能化双掺杂g-c3n4的合成包括以下步骤：步骤s101：在水热合成反应釜中，依次加入6g双氰胺或5g三聚氰胺或6g氰尿酸三聚氰胺、不同质量的柠檬酸或酒石酸或山梨醇或甘露醇或双季戊四醇，100ml无离子水，依次加入水热合成反应釜，于180～200℃下反应12～18h。真空下缓慢除水，得到超分子前驱体。
[0012]
步骤s102：4～6g超分子前驱体与7.5g氯化钾或5.5g氯化钾与2g氯化锂混合物（手套箱中），4g气相模板剂（草酸铵或乙二酸铵或丙二酸铵或丁二酸铵或己二酸铵或癸二酸铵）充分混合研磨后，置于气氛箱式马弗炉，连续通入氮气，升温速度为2.0℃/min，由室温
加热至550～650℃，保温3～5 h。粗产物经充分研磨、无离子水、乙醇充分洗涤、真空干燥至恒重，得到目标产物。
[0013]
本发明的目的之二是，提供一种应用上述羟基官能化双掺杂g-c3n4为非均相可见光催化体系，直接以空气为o2源，在环境条件下（室温、常压），乙醇或乳酸为添加剂，直接由原海水合成了过氧化氢。此合成方法具有原料绿色，合成路线原子经济，催化体系活性高，可循环使用等特点；更具体地，羟基官能化双掺杂g-c3n4的应用，包括以下步骤：在配有磁力搅拌的石英反应瓶中，依次加入20mg羟基官能化双掺杂g-c3n4、50ml原海水、5ml乙醇或乳酸，连续鼓泡通入空气暗反应0.5h，开启300氙灯光源（配420nm滤光片），控制空气通入速度 5ml/min，反应5～7 h，h2o2产率为120～550μmol/g.h。
[0014]
上述羟基官能化双掺杂g-c3n4的再生与循环使用步骤：（1）将应用之后的羟基官能化双掺杂g-c3n4回收，再依次用无水乙醇、无离子水充分洗涤，真空干燥至恒重。
[0015]
（2）将步骤（1）所得的20mg再生羟基官能化双掺杂g-c3n4、50ml原海水、5ml乙醇或乳酸，连续鼓泡通入空气暗反应0.5h，开启300氙灯光源（配420nm滤光片）空气连续鼓泡通入，反应5～7 h。
[0016]
本发明以双氰胺或三聚氰胺或氰尿酸三聚氰胺与柠檬酸或酒石酸或山梨醇或甘露醇或双季戊四醇的自组装超分子为前驱体，与氯化钾或氯化钾与氯化锂混合物，草酸铵或乙二酸铵或丙二酸铵或丁二酸铵或己二酸铵或癸二酸铵，经原位热聚合，构建了系列羟基官能化碳量子点离子双掺杂多孔形貌g-c3n4，合成的官能化g-c3n4表现出良好的可见光催化活性、表面亲水性，且两种性质可灵活地通过量子点、离子的种类和数目加以调控。
[0017]
本发明的合成中多羟基化合物柠檬酸、酒石酸、山梨醇、甘露醇、双季戊四醇的作用是作为碳量子点的前体化合物，先利用其分子结构中羟基官能团，通过氢键与双氰胺、三聚氰胺、mcr自组装为超分子前驱体，高温下进行分子间、分子间的羟基脱水反应等反应，原位生成碳量子点。
[0018]
本发明的羟基官能化双掺杂高结晶度氮化碳，纳米碳量子点原位集成于钾离子或钾/锂双离子掺杂，表面羟基官能化的多孔形貌g-c3n4纳米片上；量子点同时作为电子供体和光生电子导体，促进光生载流子分离与输运，窄化带隙、拓宽光谱响应范围，提升可见光区光吸收性能，钾、钾/锂双离子则通过改变g-c3n4的本征电子结构，在进一步降低了光生载流子复合的同时，拓宽g-c3n4对可见光的响应和吸收，使羟基官能化双掺杂氮化碳表现出高可见光催化活性，且光催化活性可通过碳量子点的前体和离子的种类灵活调控；羟基官能化多孔形貌在增加了比表面的同时，使其表现强极性和亲水属性，并可通过羟基引入数目灵活调控大小，强极性的亲水表面实现了羟基官能化双掺杂氮化碳与h2o、空气中o2分子的充分接触、结合，使得h2o顺利氧化为产物h2o2。
[0019]
本发明的k与k/li掺杂的原理：1）k/li双掺杂是引入碱性弱的锂，调控体系的lewis碱性，从而控制目标化合物结构中引入的羟基数目；2）li传输光生电子能力较好，k/li双掺杂促进光子电子与光生空穴的分离。且本发明的k与k/li掺杂不能以钠替代，主要存在以下原因：1）钠离子传递光生电子的能力弱于钾和锂；2）钠离子与氮原子的结合能力弱，难以稳定地引入目标化合物结构中。
[0020]
本发明的有益效果在于：1. 羟基官能化双掺杂多孔g-c3n4结构中，碳量子点、钾离子、钾/锂双离子原位植入g-c3n4本相中，量子点与离子两者通过协同作用，有效降低了g-c3n4的禁带宽度，拓展了其对可见光的吸收。表面羟基官能化的多孔形貌，则提供了有助于水与o2分子两相间反应顺利进行的良好微环境，同时有利于产物过氧化氢及时从催化活性中心分离，从而有效地降低了产物的分解。
[0021]
2. 羟基官能化双掺杂多孔g-c3n4作为非均相可见光催化剂，直接以空气为o2源，乙醇或乳酸为添加剂，在环境条件下（室温、常压），由原海水合成过氧化氢；本发明的过氧化氢产率为550μmol/g
·
h，而现有技术中704μmol/g
·
h的产率，是以纯水为原料、纯氧为氧源，异丙醇为添加剂的结果；且乙醇（伯醇）相比于异丙醇（仲醇）难以给出质子，采用乙醇为牺牲剂的结果远低于异丙醇的结果。
[0022]
3. 羟基官能化双掺杂多孔g-c3n4离心分离、洗涤、真空干燥至恒重，即可再生循环使用，循环使用3次催化活性基本保持不变。
附图说明
[0023]
图1为本发明所述的羟基官能化双掺杂g-c3n4的合成路线及结构示意图；图2为k/ca@g-c3n4-d-5的扫描电镜图；图3为系列羟基官能化双掺杂g-c3n4的结构示意图。
具体实施方式
[0024]
以下结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明不仅仅限于这些实施例。
[0025]
实施例1：羟基官能化钾/柠檬酸掺杂g-c3n4（k/ca@g-c3n4-d-1）的合成步骤s101：在水热合成反应釜中，依次加入5g双氰胺，1.25g柠檬酸，100ml无离子水，于180℃水热反应12h。缓慢蒸发除水得到超分子前驱体。取前驱体5g与7.5g氯化钾、4g草酸铵，充分混合研磨。混合物置于气氛马弗炉，控制升温速度2.0℃/min，加热至550℃，保温4 h。粗产物经充分研磨、无离子水、乙醇充分洗涤、真空干燥至恒重，得到目标产物。
[0026]
ft-ir( kbr) ，ν/cm
－1
：3440，2988，2831，1598，1512，1492，1440，1365，1174。
[0027]
xrd(2θ)，
。
：10，27，42，52，58，70，75。
[0028]
实施例2：羟基官能化钾/柠檬酸掺杂g-c3n4（k/ca@g-c3n4-d-2-6）的合成将乙二酸铵、丙二酸铵、丁二酸铵、己二酸铵、癸二酸铵代之以草酸铵外，其它同实施例1。
[0029]
实施例3：羟基官能化钾/山梨醇掺杂g-c3n4（k/sb@g-c3n4-mcr-1）的合成水热合成反应釜中，依次加入5g三聚氰胺氰尿酸，1.0g山梨醇，100ml无离子水，于180℃水热反应16h。缓慢蒸发除水得到超分子前驱体。取前驱体4g与7.5g氯化钾、4g草酸铵，充分混合研磨。混合物置于气氛马弗炉，连续通入氮气，控制升温速度2.0℃/min，加热至550℃，保温4 h。粗产物经充分研磨、无离子水、乙醇充分洗涤、真空干燥至恒重，得到目标产物。
[0030]
ft-ir( kbr) ，ν/cm
－1
：3441，2989，2830，2148, 1614，1491，1440，1366，1173, 1002。
[0031]
xrd(2θ)，
。
：10，28，41，50，57，68，76。
[0032]
实施例4：羟基官能化钾/山梨醇掺杂g-c3n4（k/ sb @g-c3n4-mcr-2-6）的合成将乙二酸铵、丙二酸铵、丁二酸铵、己二酸铵、癸二酸铵代之以草酸铵外，其它同实施例3。
[0033]
实施例5：羟基官能化钾/锂/山梨醇掺杂g-c3n4（k/li/sb@g-c3n4-m-1）的合成水热合成反应釜中，依次加入5g三聚氰胺，1.0g山梨醇，100ml无离子水，于180℃水热反应16h。缓慢蒸发除水得到超分子前驱体。取前驱体4g与5.5g氯化钾、2.0g氯化锂、 4g草酸铵，在手套箱中充分混合研磨。混合物置于气氛马弗炉，连续通入氮气，控制升温速度2.0℃/min，加热至550℃，保温4 h。粗产物经充分研磨、无离子水、乙醇充分洗涤、真空干燥至恒重，得到目标产物。
[0034]
ft-ir( kbr) ，ν/cm
－1
：3442，2990，2831，2152, 1597，1490，1440，1397，1364，1247，1173, 1002，800。
[0035]
xrd(2θ)，
。
：28，42，51，59，70，77。
[0036]
实施例6羟基官能化钾/锂/山梨醇掺杂g-c3n4 （k/li/sb@g-c3n4-m-2-6）的合成将乙二酸铵、丙二酸铵、丁二酸铵、己二酸铵、癸二酸铵代之以草酸铵外，其它同实施例5。
[0037]
实施应用例1：羟基官能化双掺杂g-c3n4催化的原海水空气氧化合成过氧化氢在配有磁力搅拌的石英反应瓶中，依次加入20mg羟基官能化双掺杂g-c3n4、50ml原海水、5ml乙醇、暗反应1.5 h。开启300氙灯光源（配420nm滤光片）照射下，控制进气速度 5ml/min，反应5～7 h，过氧化产率为120～550μmol/g.h。
[0038]
实施应用例2：羟基官能化双掺杂g-c3n4（k/li/ca@g-c3n4
‑ꢀ
mcr-1）的再生与循环使用将实施应用例1中离心分离得到的k/li/ca@g-c3n4
‑ꢀ
mcr-1，依次用乙醇、去离子水充分洗涤后，将g-c3n4于真空干燥至恒重，完成g-c3n4的再生。g-c3n4的循环使用操作同
实施应用例1。第一循环使用过氧化氢产率538μmol/g.h，第二次循环使用过氧化氢产率537μmol/g.h，第三次循环使用过氧化氢产率537μmol/g.h。
[0039]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。