[发明专利]一种有机半导体可见光光催化材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种有机半导体可见光光催化材料及其制备方法和应用，属于有机非金属纳米材料制备、太阳能利用与环境保护技术领域。该有机半导体可见光光催化材料为环化的聚丙烯腈共轭聚合物材料，环化后的聚丙烯腈引入了更多的共轭单元，其共轭长度增加，从而使电荷载流子的寿命更长。可以通过简单的溶液聚合法结合气氛热处理技术手段制备环化聚丙烯腈。所制备的环化聚丙烯腈材料在可见光光照条件下可直接应用于水中有机染料、芳香类有机物、抗生素或环境中微生物的光催化降解、净化。

技术领域

本发明涉及有机非金属纳米材料制备、太阳能利用与环境保护技术领域，具体涉及一种有机半导体可见光光催化材料及其制备方法和应用，该材料应用于环境净化领域。

背景技术

光催化技术在太阳能开发利用和环境保护领域具有很大的应用前景，因此备受科研人员的关注，其研发重点是设计并合成高效的光催化材料。光催化体系众多，主要的研究是以无机半导体材料为主的光催化材料。然而，这些光催化材料需要大量的金属元素，还有一些是稀有、贵重或者有毒元素；其制备过程往往需要较高温度的热处理；且无机半导体材料本身结构固定，改性相对困难。因此，开发其它半导体光催化材料体系是光催化材料研究发展的必然选择。其中，有机半导体光催化材料是基于碳、氮、氢等非金属轻质元素，无需金属元素，原料来源广泛丰富；其制备条件温和；且可引入不同的官能团对分子结构微调更好的利用太阳光，能带结构独特，并且其化学稳定性和热稳定性高，特别是，有机半导体光催化材料可以从其组成分子结构上进行材料设计，从而为其材料体系发展、所适用的光催化反应类型扩展、光催化性能调控提供了广阔的研究空间，与传统的无机半导体光催化材料相比特色明显。有机半导体光催化材料体系中，目前研究最多的是石墨相氮化碳(g-C₃N₄)，g-C₃N₄的结构单元固定，而有机高分子种类众多，但环化聚丙烯腈目前尚无报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种有机半导体可见光光催化材料及其制备方法和应用。该有机半导体可见光光催化材料为环化的聚丙烯腈共轭聚合物材料，环化后的聚丙烯腈引入了更多的共轭单元，其共轭长度增加，从而使电荷载流子的寿命更长。可以通过简单的溶液聚合法结合气氛热处理技术手段制备环化聚丙烯腈。所制备的环化聚丙烯腈材料在可见光光照条件下可直接应用于水中有机染料、芳香类有机物、抗生素或环境中微生物的光催化降解、净化。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种有机半导体可见光光催化材料，该光催化材料为含有氮原子的共轭聚合物材料，该光催化材料中存在共轭的大Π键，可吸收可见波段的光，产生可用于光催化反应的光生电荷。

所述共轭聚合物材料为环化脱氢后的聚丙烯腈。

该光催化材料具有共轭单元，共轭单元是以线状或面状的形式存在于环化聚丙烯腈中，其中氮原子参与形成了共轭体系，形成共轭大Π键。

所述有机半导体可见光光催化材料的制备方法为：首先以丙烯腈为原料并利用溶液聚合法制备聚丙烯腈，然后结合气氛热处理的技术手段，将聚丙烯腈环化脱氢，获得所述有机半导体可见光光催化材料。该方法具体包括如下步骤：

(1)聚丙烯腈的制备：将丙烯腈与偶氮二异丁腈按所需比例混合，得到的混合溶液A加入到一定量的N,N-二甲基甲酰胺溶剂中，磁力搅拌数小时使其混合均匀后得到混合溶液B，将所得混合溶液B在40-100℃条件下反应5-12h后，用去离子水沉淀样品，并进行离心分离，分离所得粉末用去离子水和无水乙醇交替洗涤5-8次，再将洗涤后的粉末在40-80℃条件下真空干燥10-24h，即获得所述聚丙烯腈；