[发明专利]一种杂原子掺杂的水溶性碳量子点在光催化剂上的应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种可用作新型高效光催化剂的杂原子掺杂的水溶性碳量子点在催化降解环境中的有机污染物和光解水制备氢气领域中的应用。

背景技术

能源危机和环境恶化是当前人类社会面临的两个重大问题。许多环境问题都源于能源的生产利用过程，因此开发和利用清洁无污染的新能源不仅有利于消除能源危机，而且有利于防止环境恶化。太阳能与其它能源相比有储量大，可持续，清洁无污染等特点，有效地利用太阳能是解决能源问题与环境问题最完美的方法之一。光催化技术，作为一种极具前景的利用太阳能的手段，也成为了人们关注的焦点。光催化技术有着诱人的前景，首先，能利用太阳光可使水分解产生H₂从而有效地解决能源危机。其次，在常温常压下，可以将水、空气中有机污染物完全氧化成C0₂和H₂0等无害产物。虽然在过去的几十年中，众多科学家在该领域都做了大量工作，但其大规模的工业化应用尚需时日，如何设计合成高效的光催化剂一直是热门和前沿课题。

碳元素是地球上所有已知生命的基础。由于其具有多样的电子轨道特性(sp¹、sp²、sp³)，因此形成许多结构和性质奇特的物质。碳量子点是碳纳米材料家族中的新成员,具有发光可调、荧光量子效率高、抗光漂白性能好、生物相容性好、无毒性、易于功能化、能够高产率制备等特性，有望在光电子器件、纳米催化剂、生物分析、荧光成像和光热治疗癌症等技术领域显示其广阔的应用前景[Angew.Chem.Int.Ed,2010,49,6726-6244;Chem.Comm.2012,48.3686-3705；]。目前,水溶性碳量子点用作光催化剂的研究尚属起步阶段,无杂原子掺杂的碳量子点需要吸附在如氧化铁、氧化钛、氧化锌等载体上才能用作光催化剂[J.Mater.Chem.,2012,22,24230-24253]。因此，尚需开展大量的研究工作以促进碳量子点在高效光催化剂中的实际应用，其中包括水溶性碳量子点的宏量制备。最近的研究表明，N、S掺杂的石墨[Angew.Chem.Int.Ed.2012，46，11496-11500]和富含氮的聚合物g-C₃N₄[Nat.Mater,2009,

8,76-80]均显示出很强的催化性能。因此，探索开发基于杂原子掺杂的水溶性碳量子点的宏量制备用作高效光催化剂对解决能源危机和环境污染两个重大问题都具有及其重要的意义。

发明内容

本发明要解决的第一个技术问题是提供一种杂原子掺杂的水溶性碳量子点作为新型光催化剂在降解有机污染物中的应用。

本发明要解决的第二个技术问题是提供一种杂原子掺杂的水溶性碳量子点作为新型光催化剂在裂解水制备氢气中的应用。

本发明所述的杂原子掺杂的水溶性碳量子点，其制备方法包括如下步骤：

1)向共轭聚合物中加入0.01～1000倍共轭聚合物质量、0～1M的酸或碱的水溶液，混合均匀，得到反应液；

2)将反应液加热到100℃～500℃，反应1～48小时；

3)反应完后自然冷却，收集反应液，分离提纯，得到杂原子掺杂的水溶性碳量子点。

优选地，所述共轭聚合物选自具有以下结构式的共轭聚合物中的一种或多种：

式中：

结构式PT中，m、n和k为0～10000的自然数，m、n和k不同时为0；结构式PPV、PF、PPP、PE中，n为1～10000的自然数；

其中：Ar₁为呋喃，噻吩，硒吩，吡咯，吡啶，苯，萘，蒽，芘，吲哚，香豆素，荧光素，咔唑，罗丹明，氰基染料，芴或喹啉；

其中：Ar₂为下列结构式中的一种：

其中：X，Y，Q，E，F，分别或同时独立的为O、N、S、Si、Se、P、As、Ge、Gd、B、Sb、Te、N-R₅或Si-R₆R₇；