[发明专利]新型的银纳米颗粒修饰超薄石墨相氮化碳催化剂的制备方法及应用

说明书

技术领域

本发明涉及材料技术领域，具体涉及一种新型的银纳米颗粒修饰超薄石墨相氮化碳催化剂的制备方法及其在光催化降解污染物催化剂、电极、复合材料等领域的应用。

背景技术

一直以来，自然界中的绿色植物利用太阳能和自身叶绿素，将大气中的水和二氧化碳转化为碳水化合物，并释放出氧气，该过程将光能转化为化学能的同时，也为地球上一切存在的生物体提供了营养物质，并为人类社会的长足发展提供了丰富的诸如石油、煤炭、天然气等自然资源。清洁能源需求急剧增加的全球危机和大面积环境污染已经被视为21世纪人类发展面临的主要挑战。化石燃料被广泛应用于工业生产，在燃烧时释放大量可致癌的有机污染物（如苯酚等），进而污染大气、水资源和地表，给自然环境和人类生存与发展带来严重影响，受自然界中最大规模的光催化现象(光合作用)的启发，科技人员致力于寻找、构建高效光催化材料，并对其应用的各种催化体系(光降解、光裂解水、有机催化等)进行了广泛而细致的探讨。目前，包括物理化学吸附、微生物分解、电化学解离等多种方法被应用于有机污染物的降解，但是对有机废水的处理仍存在众多障碍，包括矿化速率过低、处理装置复杂和大量能源消耗等。因此，寻求一种可持续、环境友好的途径来处理有机废水显得迫切需要。利用免费、绿色、用之不竭的太阳能，基于半导体材料的新型光催化技术一直被认为是解决环境污染的有效途径。利用半导体光催化剂（如Ti, Cu, Zn, Bi, Fe, W系氧化物、MoS₂, CdS 和 g-C₃N₄等）降解有机物是一项潜在的环境治理技术。

氮化碳材料的研究历史可以追溯至1834年，Berzelius和Liebig率先发现了一种最古老的人工合成聚合物“melon”一氮化碳高分子衍生物，之后关于氮化碳材料的制备、表征、应用及理论计算的研究成为焦点。1996年美国加州大学Teter和Hemley新的理论计算结构表明，C₃N₄具有5种同素异形体，分别为α相、β相、c相(立方相)、p相(准立方)和g相(石墨相)。自2009年Wang课题组率先发现石墨相氮化碳( g-C₃N₄)在可见光下具有优异的产氢性能以来, g-C₃N₄便作为一种非金属催化剂受到了前所未有的关注。石墨相氮化碳（g-C₃N₄）具有可见光吸收率高、稳定性好、廉价易得和环境友好等优点同样应用于光解水制氢、SO₂光催化转化和CO甲烷化等反应体系。然而，大量研究发现 g-C₃N₄在光催化反应中存在比表面积小、光量子效率低、光生电子与空穴易复合，这直接导致光催化效率低和催化稳定性差。如何提高 g-C₃N₄光催化性能已成为当前的研究热点。

针对上述问题，通过各种途径掺杂金属、非金属以及半导体纳米粒子与 g-C₃N₄催化材料结合，以改善 g-C₃N₄的光电催化性能成为目前研究的热点。一方面，贵金属纳米颗粒分散在 g-C₃N₄表面可协助捕获光生电子，加速电子空穴的分离，进而抑制光生电子和空穴复合。另一方面，贵金属颗粒通过表面共振效应可提高 g-C₃N₄的可见光吸收能力。

近年来，聚多巴胺（PDA）因其良好的粘附性和生物相容性等特点而被广泛用于各类材料表面修饰；同时，PDA利用自身的还原性可以实现材料表面无电金属化。将多巴胺溶于Tris缓冲液中，自发氧化聚合后在基材表面形成一层具有永久黏附能力的PDA涂层。进一步研究表明，多巴胺的邻苯二酚基团和氨基官能团在该粘附现象中起到主要作用。利用邻苯二酚基团能对金、银和铂等贵重金属盐表现出还原能力，在聚多巴胺表面衍生出贵重金属纳米颗粒；能与含硫醇、氨基的亲水或疏水有机分子或聚合物等发生迈克尔加成反应和席夫碱反应，并将功能性有机物引入到材料表面，使材料表面具有特殊性质，如：抗腐蚀性、耐摩擦性、生物活性及生物相容性等功能特性。较常规表面修饰方法，该途径绿色简单方便，与基材的几何形状无关，同时修饰后的表面具有很好的化学反应性。

因此，针对上述问题，有必要提出进一步的解决方案。

发明内容