[发明专利]一种表面羟基化纳孔氮化碳光催化材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳孔光催化材料及其制备方法和应用，特别是涉及到一种碱性条件下制备结晶性良好、表面羟基化的纳孔氮化碳光催化材料的方法和在降解气相污染物方面的应用。

背景技术

现代工业的快速发展，使人民的生活水平有了巨大的提高，同时使人类面对环境危机和能源危机等，光催化作为一个新兴研究领域，其技术有望同时解决环境污染问题和能源短缺问题。聚合物半导体氮化碳，由于其廉价、稳定、不含金属组分的可见光光催化材料被广泛应用于太阳能的光催化转化，如光解水、液相有机物污染物降解、CO₂光还原方面，具有较好的效果，但对气相有机物污染物降解的报道还很少，且降解活性较差。

对于降解气相有机污染物，比表面积是影响其活性的一个重要的参数，高比表面积的纳孔材料由于具有更多的活性位点，良好的光吸收性能而具有更好的活性。此外，材料的结晶性也是提高光催化活性的一个重要因素，因此材料的纳孔结构和良好的结晶性的结合可能会得到活性更优异的氮化碳材料。这一研究对于获得具有优异可见光光催化活性的材料具有重要的意义。

多孔氮化碳主要指介孔氮化碳，制备介孔氮化碳的主要方法是硬模板法，如王心晨等人在J.Am.Chem.Soc.杂志(2009年第131期第1680-1681页)报道以SiO₂纳米颗粒为模板剂，制备了不同比表面积的的氮化碳。但是该类方法工艺复杂，不环保。近期，闫世成等人又发展了一种熔盐法来制备介孔氮化碳(专利号CN 102992282 B)，氮化碳包裹着熔盐小液滴生长，形成介孔氮化碳。但熔盐法制备的介孔氮化碳仅应用于光解水制氢，未涉及到光催化降解气相污染物方面的应用。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种表面羟基化的纳孔氮化碳光催化材料及其制备方法和应用，解决现有有机光催化材料降解气相有机污染物性能低下及制备工艺复杂、不环保，不易实现产业化推广等困难。

本发明的技术方案是：

一种表面羟基化纳孔氮化碳光催化材料，所述光催化材料的纳孔结构以孔径为5～30nm的介孔为主，并含有孔径小于2nm的微孔，比表面积为10～90m²/g，表面嫁接有羟基基团。

一种表面羟基化纳孔氮化碳光催化材料的制备方法，以三聚氰胺、碱金属氯化物和碱为原料，一步法直接制得表面羟基化的纳孔氮化碳。

表面羟基化纳孔氮化碳光催化材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将三聚氰胺、碱金属氯化物和碱的混合物研磨均匀；

(2)将步骤(1)中混合物置于坩埚中并封闭，于马弗炉中400～600℃处理2～4小时；

(3)将步骤(2)中产物溶于去离子水中，搅拌，将悬浊液用滤纸进行抽滤水洗，回收水洗液中碱金属氯化物，将产物置于烘箱中干燥，然后研磨，得到最终产物。

所述步骤(1)中碱金属氯化物为反应助剂，包括氯化钠、氯化钾或氯化锂。

所述步骤(1)中碱为含碱金属或碱土金属元素的碱，是造孔剂及产生表面羟基的原料，包括氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化锂或氢氧化锶。

所述步骤(1)中三聚氰胺与氯化物盐的质量比在0.05～10范围内，碱的质量为三聚氰胺与氯化物盐的总质量的0.5％～3％。较优选的，三聚氰胺与氯化物盐的质量比为0.2。

所述步骤(2)优选为马弗炉中550℃处理4小时。

一种表面羟基化纳孔氮化碳光催化材料在降解气相有机污染物中的应用，所述气相有机污染物包括醇、醛、酮、酸及芳香族化合物。

本发明的有益效果是：1.合成方法中碱的多功能性。本发明方法中碱用量极少，却能实现三方面的功能，一是作为一种造孔剂原位形成纳孔结构，增大光催化材料的比表面积；二是合成过程中原位去除不稳定相，增加光催化材料的结晶性；三是在光催化材料表面形成羟基，增强光催化材料反应活性。

2.孔道结构多元化。本方法制得的纳孔氮化碳光催化材料，除了具有孔径为5～30nm的介孔，还具有一定量孔径小于2nm的微孔，对于气相有机污染物降解非常有利，有机污染物分子可由介孔孔道传入光催化材料内部，充分利用光催化材料的内比表面积，进入微孔孔道后更容易被束缚直至完全降解矿化，实现快速将有机污染物从气相中去除并彻底降解。

3.光降解性能的高效性。除上述纳孔结构提供的优势，表面羟基化也为高效光降解提供决定性动力，表面羟基可增强对气相有机污染物吸附，还可能被活化成羟基自由基，利于气相有机污染物的矿化。