[发明专利]一种用于催化降解氮氧化物的复合材料及其制备方法和用途

说明书

本发明公开了一种用于催化降解氮氧化物的复合材料及其制备方法和用途。本发明的中空石墨相氮化碳纳米球/还原氧化石墨烯复合物‑聚合物碳化纳米纤维材料通过下法制备：1）二氧化硅纳米球的制备；2）中空石墨相氮化碳纳米球的制备；3）氧化石墨烯的制备；4）表面修饰的中空石墨相氮化碳纳米球的制备；5）复合物的制备；6）复合物‑聚合物碳化纳米纤维材料的制备。本发明的制备方法在制备过程中所采用的原材料成本低廉、容易获得；操作简单、方便，整个过程中没有使用昂贵的设备；所得的复合材料对ppb级别的氮氧化物吸附效率高，重复性好。

技术领域

本发明属于功能材料技术领域，涉及一种用于催化降解氮氧化物的复合材料，具体涉及一种中空石墨相氮化碳纳米球-还原氧化石墨烯-聚合物碳化纳米纤维，其制备方法，及其在催化降解氮氧化物中的用途。

背景技术

作为空气中污染物的主要成分，氮氧化物对生态环境以及人体健康都具有很大的危害，通过光催化剂的催化作用来降低空气中氮氧化物的浓度是一种行之有效的方法。

作为一种可见光响应的半导体光催化剂，石墨相氮化碳（g-C₃N₄）具有许多优点，诸如优良的理化稳定性、中等的带隙（2.7eV）、稳定的电子层结构等，这些特性使其成为利用太阳能的可见光催化应用的有希望的候选。另外，g-C₃N₄含量丰富且容易制得，通过便宜的前驱体（如氰胺、尿素、硫脲、三聚氰胺、双氰胺）经一步聚合就可以得到。然而，纯g-C₃N₄由于具有光致电子-空穴对的快速再结合、较小的比表面积、较低的可见光利用率等缺点而在光催化领域应用中受到限制。

发明内容

针对上述情况，本发明通过调控g-C₃N₄的微观结构以及与其他材料异质连接的方法来提高光催化性能。g-C₃N₄的中空球状形貌可以优化可见光的吸收与分布，从而提高光催化效率。另外，石墨烯类平面二维材料具有良好的导电性，将其与g-C₃N₄复合后可以促进光催化过程中电荷的传输和分离。在实际应用中，光催化剂通常需要一种合适的载体，通过静电纺丝制备的聚合物纳米纤维可以有效地固定纳米粒子。因此，本发明以中空g-C₃N₄纳米球与还原氧化石墨烯的复合物作为光催化剂，以聚合物纳米纤维作为载体，制备了一种用于催化降解氮氧化物（特别是一氧化氮）的复合材料。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种中空石墨相氮化碳纳米球/还原氧化石墨烯复合物-聚合物碳化纳米纤维材料的制备方法，该方法包括如下步骤：

（1）二氧化硅纳米球（SNS）的制备：

按照浓氨水:乙醇:水:原硅酸四乙酯=1:15~20:1~5:1~2的质量比，将原硅酸四乙酯（TEOS）加入到浓氨水、乙醇和水的混合液中，混合均匀后静置1~2小时，然后按照原硅酸四乙酯:原硅酸四乙酯和十八烷基三甲氧基硅烷（C₁₈TMOS）的混合液=1:1~2的质量比，向上述体系中滴加原硅酸四乙酯和十八烷基三甲氧基硅烷的混合液，混合均匀后静置3~5小时，经离心、干燥，于550~570℃煅烧6~8小时，再经1M盐酸洗涤、干燥，得到二氧化硅纳米球；

（2）中空石墨相氮化碳纳米球（HCNS）的制备：

在真空条件下，按照二氧化硅纳米球:氰胺=1:3~7的质量比，将步骤（1）中获得的作为模板的二氧化硅纳米球与氰胺混合搅拌3~5小时，超声处理2~3小时，然后于60~70℃反应10~12小时，经离心得到固体后，在惰性气体气氛下加热至550~570℃，煅烧4~5小时后得到粉末，再用4M氟化氢铵（NH₄HF₂）刻蚀掉粉末中的二氧化硅纳米球模板，经离心、洗涤、干燥，得到中空石墨相氮化碳纳米球；