[发明专利]一种硫掺杂碳纳米片及其制备方法和应用

说明书

本发明属于碳纳米材料和光催化技术领域，涉及一种硫掺杂碳纳米片及其制备方法和应用。针对现有技术中纤维素碳纳米晶片掺杂硫元素的工序复杂，导致的碳纳米片的形貌结构发生变化和含硫气体多数昂贵且有毒的技术问题，本申请通过将微晶纤维素和硫酸溶液混合，对其悬浮液冷冻干燥，碳化，以表面接枝磺酸基的纤维素纳米晶自组装而成的片状纤维素作为硫掺杂碳纳米片前体，简化了后处理掺杂硫元素的工艺，且硫掺杂可实现对碳纳米片的形貌结构及表面化学性质同步调控的作用。本申请还提供了一种具有可见光响应的硫掺杂碳纳米片/ZnO复合光催化剂，其在可见光照下对各种VOCs表现出良好的光催化性能和循环稳定性。

技术领域

本发明属于碳纳米材料和光催化技术领域，具体地，涉及一种硫掺杂碳纳米片及其制备方法和应用。

背景技术

随着我国工业的快速发展，工业挥发性有机化合物(volatile organiccompounds，VOCs)的排放量以每年38.3％的速率急剧增长，预测到2030年，我国总VOCs排放量将达到61.2Tg·C/Y。光催化降解技术是VOCs分子接触催化剂表面，与光照激活而产生的活性自由基发生反应，进一步被氧化降解为水和二氧化碳的过程，将其用于处理VOCs时，具有反应条件温和、无二次污染等优势。纳米ZnO作为一种性质稳定、光催化活性高的半导体光催化剂，在甲醛、甲苯、氯仿等VOCs的处理中显示了巨大的应用潜力。当受到光子撞击时，ZnO中被激发的电子从价带跃迁到导带，载流子被分离。随后，ZnO表面的光生电子、空穴和经氧化还原反应生成的活性氧基团共同参与到有VOCs的氧化反应中，实现其有效降解。然而，由于纳米ZnO表面能大，导致其极易团聚，比表面积进一步降低，难以对VOCs进行吸附而达到连续光降解的效果。更重要的是，光生载流子的快速复合导致ZnO活性降低，光催化效率下降。此外，受限于ZnO的宽带隙(～3.37eV)，其对太阳光的利用率极低，仅4％左右。因此，寻找提高ZnO分散性、光吸收性能、光生载流子分离率的有效途径对于其在VOCs处理的高效应用是非常重要的。

通过耦合二维碳纳米片以提高ZnO光催化性能的研究取得了显著的进展。二维碳纳米片具有高比表面积，使其可以有效吸附VOCs，获得较高的局部污染物浓度，达到快速降解的效果。更重要的是，其纳米片状结构和高电导率可以为电子快速转移提供理想的通道，有效抑制其表面光生载流子重组。石墨烯和氧化石墨烯作为典型的二维碳纳米片，已在光催化剂领域得到广泛研究，并取得了一定的研究进展。如中国发明专利申请公布号CN102430401A，申请日为2011年09月20日，名称为：纳米ZnO/石墨烯光催化剂及其制备方法，以及中国发明专利申请公布号CN107020073A，申请日为2017年05月05日，名称为：一种基于石墨烯的光催化剂材料的制备方法，在紫外光照下获得了较未改性ZnO和La₂Ti₂O₇显著提升的光催化性能。中国发明专利申请公布号CN111841525A，申请日为2011年09月20日，名称为：一种具有可见光响应的氧化石墨烯基光催化剂及其制备方法，公开了一种镧掺杂氧化石墨烯-TiO₂光催化剂的制备方法，其在可见光照射下5h后可实现99.3％的亚甲基蓝降解率。然而，虽然经石墨烯和氧化石墨烯改性后，催化剂的性能得到了极大的促进，但依旧难以实现快速有效的可见光催化降解污染物。石墨烯和氧化石墨烯易受层间范德华力影响而自组装成层堆叠结构，使其分散性变差，比表面积降低，进一步导致其表面可反应位点减少。此外，氧化石墨烯来源于不可再生的石油资源，不利于绿色可持续发展。因此，开发一种可控、稳定的生物质碳纳米片是非常必要的。