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CN111320228A - 一种可自清洁氮化碳凝胶及其制备方法 - Google Patents

一种可自清洁氮化碳凝胶及其制备方法 Download PDF

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CN111320228A CN202010171276.1A CN202010171276A CN111320228A CN 111320228 A CN111320228 A CN 111320228A CN 202010171276 A CN202010171276 A CN 202010171276A CN 111320228 A CN111320228 A CN 111320228A
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李�瑞
周小雨
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Abstract

本发明公开了一种可自清洁氮化碳凝胶及其制备方法。该凝胶由高分散的薄层氮化碳、聚合物单体y‑聚谷氨酸和交联剂三甲氧基硅烷共同制备组成，在可见光的激发下，半导体氮化碳材料产生的光生电子和空穴，与水反应生成大量的羟基自由基，半导体氮化碳材料通过单体和交联剂的聚合作用生成了氮化碳水凝胶或氮化碳气凝胶。其中，氮化碳水凝胶具有良好的形变恢复能力，在可见光的激发下氮化碳水凝胶可以对染料降解，同时具有良好的重金属离子Cr（Ⅵ）还原能力，而氮化碳气凝胶具有良好的吸水和保湿能力，在光照下可以将吸附的染料溶液进行降解，具有较好的自清洁能力。

Description

一种可自清洁氮化碳凝胶及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种氮化碳水凝胶和氮化碳气凝胶材料及其制备方法和应用，属于纳米材料应用领域。
背景技术
环境污染一直是影响人类生存环境的主要因素，其中，染料污染、重金属污染的处理方式主要有吸附法、萃取法、膜分离法、混凝沉降法、催化氧化法、电化学法、生物法。然而这些方法多数会引起二次污染，所以采取有良好的生物相容性的处理方法是亟需解决的问题。近年来兴起的光催化技术在环境治理中有很大的潜能。石墨相氮化碳（g-C3N4）作为一种新型聚合物半导体材料，可以吸收可见光，有较好的稳定性，它被公认为是一种具有发展潜力的环境友好的新型光催化半导体材料。现有的技术中利用g-C3N4 粉末直接进行染料降解存在一定的效果，但是对g-C3N4后处理以及循环利用没有很好地解决方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种氮化碳凝胶材料及其制备方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种可自清洁氮化碳凝胶，采用以下步骤制备：
第一步，将氮化碳均匀地分散在水溶液中；
第二步，将聚合物单体均匀地分散在水溶液中；
第三步，将第一步所得氮化碳水溶液滴加到第二步所得聚合物单体水溶液中；
第四步，向第三步所得混合溶液中滴加交联剂，并搅拌分散均匀；
第五步，将分散均匀的溶液移入模具，干燥。
较佳的，第一步中，氮化碳通过煅烧富氮前驱体所得，其具体制备步骤是：将尿素装入带盖的坩埚中，将其置于管式炉中程序升温至500-550℃并保温2-4h，所得固体粉末即为氮化碳。
较佳的，第二步中，聚合物单体为γ-聚谷氨酸。
较佳的，第三步中，氮化碳和聚合物单体的质量比为1:10-1:40。
较佳的，第四步中，交联剂为三甲基硅烷，聚合物单体和交联剂的质量比为1:1-4:1。
较佳的，第五步中，所述的干燥是指置于35-40℃下烘干，或冷冻干燥。
本发明与现有技术相比，其优点在于：（1）以尿素为前驱体煅烧所得的氮化碳质地较轻，带隙能合适展现出更好的光催化性能，并且该方法制得的氮化碳易于分散在水溶液中；（2）制备氮化碳凝胶所用的原料y-聚谷氨酸、氮化碳都有很好的生物相容性，对环境，人体都无害，有希望应用在仿生材料的研究。（3）制备的氮化碳气凝胶密度小，质地轻，有很好的吸水性和自清洁能力。（4）利用氮化碳凝胶进行染料降解和重金属还原存在后处理方便的优势。
附图说明
图1为实施例1所制备的氮化碳水凝胶的数码照片。
图2为实施例1所制备的氮化碳水凝胶的扫描电镜图。
图3为实施例2所制备的氮化碳气凝胶的扫描电镜图。
图4为石墨相氮化碳粉末和实施例2所制备的氮化碳气凝胶的X射线衍射图谱。
图5为石墨相氮化碳粉末、实施例1所制备的氮化碳水凝胶、实施例2所制备的氮化碳气凝胶的傅里叶红外光谱图。
图6为实施例3所制备的氮化碳水凝胶还原六价铬离子的效果图。
图7为实施例4所制备的氮化碳气凝胶降解罗丹明B染料溶液的效果图。
图8为实施例4所制备的氮化碳气凝胶降解罗丹明B染料溶液的过程图。
具体实施方式
本发明制备的氮化碳水凝胶和氮化碳气凝胶，都对染料污染物有突出的降解作用，对重金属Cr（Ⅵ）有明显的还原作用，并且氮化碳凝胶有自清洁功能。
本发明的氮化碳水凝胶、氮化碳气凝胶采用以下步骤制备而得：
第一步，将单体（γ-聚谷氨酸，0.5-2g）均匀地分散在水溶液中；
第二步，将石墨相氮化碳粉末（0.05-0.1g）均匀地分散在水溶液中；
第三步，将分散均匀的氮化碳水溶液滴加到分散均匀的单体溶液中；
第四步，向第三步的混合溶液中滴加交联剂（三甲氧基硅烷，0.5-1g），并搅拌分散均匀；
第五步，将分散均匀的溶液移入模具，烘干。
实施例1：
第一步，将0.5g γ-聚谷氨酸均匀地分散在10mL水中，搅拌1h；
第二步，将0.05g氮化碳均匀地分散在10mL水中，搅拌2h；
第三步，将分散均匀的氮化碳水溶液滴加到分散均匀的γ-聚谷氨酸水溶液中；
第四步，向第三步的混合溶液中滴加1g三甲氧基硅烷，并搅拌3h；
第五步，将分散均匀的溶液移入模具，真空烘箱38℃烘干12h得氮化碳水凝胶。
第六步，对所制备的氮化碳水凝胶进行表征，图1为氮化碳水凝胶的数码照片，图2为氮化碳水凝胶的扫描电镜图，图5为氮化碳水凝胶的傅里叶红外光谱图。
实施例2：
第一步，将0.5g γ-聚谷氨酸均匀地分散在10mL水中，搅拌1h；
第二步，将0.05g氮化碳均匀地分散在10mL水中，搅拌2h；
第三步，将分散均匀的氮化碳水溶液滴加到分散均匀的γ-聚谷氨酸水溶液中；
第四步，向第三步的混合溶液中滴加1g三甲氧基硅烷，并搅拌3h；
第五步，将分散均匀的溶液移入模具，冷冻干燥脱水得氮化碳气凝胶。
第六步，对所制备的氮化碳气凝胶进行表征，图3为氮化碳气凝胶的扫描电镜图，图4为氮化碳气凝胶的X射线衍射图谱，图5为氮化碳气凝胶的傅里叶红外光谱图。
实施例3：
第一步，将0.5g γ-聚谷氨酸均匀地分散在10mL水中，搅拌1h；
第二步，将0.05g氮化碳均匀地分散在10mL水中，搅拌2h；
第三步，将分散均匀的氮化碳水溶液滴加到分散均匀的γ-聚谷氨酸水溶液中；
第四步，向第三步的混合溶液中滴加1g三甲氧基硅烷，并搅拌3h；
第五步，将分散均匀的溶液移入模具，真空烘箱38℃烘干12h得氮化碳水凝胶。；
第六步，将制得的氮化碳水凝胶置于装有50mL50ppmCr（Ⅵ）溶液的烧杯中，将氙灯光源置于烧杯上方25cm处进行光催化还原重金属离子实验。每隔20min取1mL溶液用于紫外分光光度计的测量，所测得的结果即为溶液中Cr（Ⅵ）的浓度。
实施例3所制备的氮化碳水凝胶还原六价铬离子的效果如图6所示。紫外分光光度计测量的结果表明，在80min内，0.5g氮化碳水凝胶可将50mL 50ppm的Cr（Ⅵ）溶液中的Cr（Ⅵ）离子完全还原。
实施例4：
第一步，将0.5g γ-聚谷氨酸均匀地分散在10mL水中，搅拌1h；
第二步，将0.05g氮化碳均匀地分散在10mL水中，搅拌2h；
第三步，将分散均匀的氮化碳水溶液滴加到分散均匀的y-聚谷氨酸水溶液中；
第四步，向第三步的混合溶液中滴加1g三甲氧基硅烷，并搅拌3h；
第五步，将分散均匀的溶液移入模具，冷冻干燥脱水得氮化碳气凝胶；
第六步，将制得的氮化碳气凝胶置于装有50mL50ppm罗丹明B溶液的烧杯中，将氙灯光源置于烧杯上方25cm处进行光催化降解染料实验；
第七步，静置半小时后，氮化碳气凝胶将50mL50ppm的罗丹明B溶液全部吸附，并在外光上表现出罗丹明B染料的颜色，表明只是单纯地吸附了染料溶液；
第八步，打开氙灯光源后，进行20min的光催化降解后，氮化碳气凝胶的颜色完全褪去，表明成功地降解了罗丹明B染料。
第九步，通过物理挤压的方式将降解后气凝胶中的水溶液进行紫外分光光度法检测，对比降解前后的测试结果成功验证了氮化碳气凝胶对罗丹明B染料的降解。
实施例4所制备的氮化碳气凝胶降解罗丹明B染料溶液的效果如图7所示。紫外分光光度计测量的结果表明，在经过20min的光催化降解后，氮化碳气凝胶对50mL50ppm的罗丹明B溶液降解效果显著，从而说明了所制备的氮化碳气凝胶有很好的自清洁能力。
图8为实施例4所制备的氮化碳气凝胶降解罗丹明B染料溶液的过程图。a是将氮化碳气凝胶置于罗丹明B染料溶液进行吸附；b表明经过30min的吸附，50mL的罗丹明B染料溶液完全被氮化碳气凝胶吸附，这也表明了制备的氮化碳气凝胶有很好的吸水性；c是通过氙灯进行光催化降解的装置示意图；d是经过光催化降解后的凝胶的数码照片。

Claims (8)

1.一种可自清洁氮化碳凝胶的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一步，将氮化碳均匀地分散在水溶液中；
第二步，将聚合物单体均匀地分散在水溶液中；
第三步，将第一步所得氮化碳水溶液滴加到第二步所得聚合物单体水溶液中；
第四步，向第三步所得混合溶液中滴加交联剂，并搅拌分散均匀；
第五步，将分散均匀的溶液移入模具，干燥。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，第一步中，氮化碳通过煅烧富氮前驱体所得，其具体制备步骤是：将尿素装入带盖的坩埚中，将其置于管式炉中程序升温至500-550℃并保温2-4h，所得固体粉末即为氮化碳。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，第二步中，聚合物单体为γ-聚谷氨酸。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，第三步中，氮化碳和聚合物单体的质量比为1:10-1:40。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，第四步中，交联剂为三甲基硅烷，聚合物单体和交联剂的质量比为1:1-4:1。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，第五步中，所述的干燥是指置于35-40℃下烘干。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的干燥是指冷冻干燥。
8.如权利要求1-7任意一项所述的方法制备的可自清洁氮化碳凝胶。
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