CN110694660B - 异质元素掺杂的氮化碳光催化材料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开异质元素掺杂的氮化碳光催化材料及其制备方法和应用。其中异质元素掺杂的氮化碳光催化材料的制备方法包括：(1)使石墨相氮化碳前驱物与植物提取物在溶液中反应得到水凝胶材料，其中植物提取物为以植物为原料经提取得到的包含含磷化合物和肌醇的混合物；将水凝胶材料经过冷冻干燥得到气凝胶材料；(2)在惰性气体保护下通过程序升温来焙烧该气凝胶材料，制得异质元素掺杂的氮化碳光催化材料。本发明利用植物提取物与石墨相氮化碳前驱物之间的静电和氢键作用，使材料进行有序的排列组装，提高光催化性能，而且使用的磷源无任何毒害和副作用，产物纯度高，工艺流程简单，产氢速率高，适合工业化大规模生产。

Description

异质元素掺杂的氮化碳光催化材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及催化剂领域，具体地涉及异质元素掺杂的氮化碳光催化材料及其制备方法和应用。
背景技术
在石墨相氮化碳(g-C3N4)催化剂中，以具有近似石墨烯稳定层状结构的g-C3N4广泛地应用于多相催化领域，其禁带宽度和半导体带边位置能够满足光催化转化的热力学要求，相比于其他的光催化剂，它的优点十分突出：热稳定性和化学稳定性良好，来源丰富且制备工艺简单。g-C3N4的结构决定了它具有广泛的应用。目前，g-C3N4主要应用于光分解水制氢、光催化还原CO2、光催化污染物降解和杀菌消毒等方面，不过在其应用中面临着一系列的问题，如光生电子-空穴复合快、量子效率低和比表面积不够大等，在一定程度上限制了它的应用，因此对氮化碳材料的改性也成为热点，其中非金属掺杂进行改性的效果较好，如通过磷源对g-C3N4改性，由于磷源和生成g-C3N4的前驱体之间不只是简单的混合，它们之间会因为酸碱作用，紧密地交联在一起，不过在磷掺杂过程中采用的磷化物往往对人体产生有毒有害作用。在磷源对g-C3N4改性研究中，例如Ran等人[Ran M,Li J,Wen C,etal.Efficient and stable photocatalytic NO removal on C self-doped g-C3N4:electronic structure and reaction mechanism[J].Catalysis Science andTechnology,2018:10.1039]用三聚氰胺和AEP(2-氨乙基磷酸)合成了多孔的P-g-C3N4，研究结果表明，三聚氰胺与AEP之间的酸碱作用和范德瓦耳斯力促进了均匀介孔结构的产生，使P-g-C3N4具有较大的比表面积，有利于增加其催化能力。
Ma等人[Ma X,Lv Y,Xu J,et al.AStrategy ofEnhancing the Photoactivityof g-C3N4 via Doping of Nonmetal Elements:AFirst-Principles Study[J].Journalof Physical Chemistry C,2012,116(44):23485-23493]用碳纤维纸、三聚氰胺和乙二磷酸为先驱体合成了花状结构的P-g-C3N4。研究发现，碳纤维纸、三聚氰胺和乙二磷酸之间的酸碱作用，促进前驱体吸附在碳纤维纸上，有利于P-g-C3N4花状纳米结构的生长及P-g-C3N4与碳纤维纸的耦合。总之，磷源和生成g-C3N4的前驱体之间的酸碱作用在促进杂质元素引入结构的同时，也有利于其他类似介孔的匀质结构及可控形貌的生成，从而在掺杂与形貌的多作用力下增强P-g-C3N4的催化能力。
CN109395764A公开了一种磷掺杂氮化碳的制备方法及其产品和应用，通过先进行反应得到不同元素原子级掺杂前驱体，然后进行焙烧的制备方法来制备磷掺杂氮化碳。该方法采用三聚氰胺作为氮化碳前驱体，先通过将三聚氰胺与聚磷酸发生化学反应，促使磷原子与三聚氰胺形成原子级别的混合，然后将反应合成的三聚氰胺聚磷酸盐进行焙烧，制备得到均匀掺杂的磷掺杂氮化碳，该方法制备的磷掺杂氮化碳磷掺杂均匀，但其光催化性能需要进一步提高。
再例如CN107008496A公开了一种亲油性改性石墨相氮化碳的制备方法，通过将石墨相氮化碳与有机改性剂混合后，加入冰醋酸中超声，然后转移到水热釜中进行水热反应，最后将样品洗涤至中性，干燥得到改性石墨相氮化碳，该方法制备简单，但只是对材料进行有机改性达到氮化碳材料在有机溶剂的溶解性提高。
发明内容
为解决现有技术中的至少部分技术问题，本发明提供一种改进的异质元素掺杂的氮化碳光催化材料的制备方法。基于此完成了本发明。具体地，本发明包括以下内容。
本发明的第一方面，提供一种异质元素掺杂的氮化碳光催化材料的制备方法，其包括以下步骤：
(1)使石墨相氮化碳前驱物与植物提取物在溶液中反应得到水凝胶材料，其中所述植物提取物为以植物为原料经提取得到的包含含磷化合物和肌醇的混合物；
(2)在惰性气体保护下通过程序升温来焙烧所述气凝胶材料，制得异质元素掺杂的氮化碳光催化材料。
在某些实施方案中，根据本发明的异质元素掺杂的氮化碳光催化材料的制备方法，所述石墨相氮化碳前驱物包括三聚氰胺、双氰胺等。
在某些实施方案中，根据本发明的异质元素掺杂的氮化碳光催化材料的制备方法，所述植物提取物的提取包括以下步骤：
a.使用酸溶液浸泡选自由稻壳、酒糟、米糠和菜籽粕组成的组中的至少之一的植物原料得到浸泡液；
b.过滤所得浸泡液，之后用碱溶液中和滤液得到中和液；
c.过滤所述中和液得到沉淀物，并将所得沉淀物进行酸化，得到植物提取物。
在某些实施方案中，根据本发明的异质元素掺杂的氮化碳光催化材料的制备方法，所述酸溶液的pH值为2.0-3.0。
在某些实施方案中，根据本发明的异质元素掺杂的氮化碳光催化材料的制备方法，在所述浸泡液加入选自由尿素、硫酸钠、碳酸铵、硫酸铵和氯化钠组成的组中的至少之一。
在某些实施方案中，根据本发明的异质元素掺杂的氮化碳光催化材料的制备方法，所述程序升温的升温速率为2-10℃/min，在升温至500-600℃后保持2-5小时。
在某些实施方案中，根据本发明的异质元素掺杂的氮化碳光催化材料的制备方法，在步骤(1)和(2)之间进一步包括冷冻干燥所述凝胶材料的步骤。
在某些实施方案中，根据本发明的异质元素掺杂的氮化碳光催化材料的制备方法，包括以下步骤：
取三聚氰胺加入到水，搅拌均匀得到混合物，取所述植物提取物加入到所述混合物中，继续搅拌直至得到水凝胶；将所述水凝胶冷冻干燥制得气凝胶前驱体；然后，将所述前驱体放入管式炉中，氩气气氛下升温至600℃保持3h，升温速率为2-8℃/min，得到磷掺杂氮化碳光催化材料。
本发明的第二方面，提供一种异质元素掺杂的氮化碳光催化材料，其由本发明的制备方法制备得到的。
本发明的第三方面，提供第二方面所述的异质元素掺杂的氮化碳材料在光催化分解水制氢中的应用。
本发明在前驱体的制备中，利用植物提取物与石墨相氮化碳前驱物通过静电作用和氢键作用形成自组装的水凝胶，将水凝胶进行冷冻干燥后可得到蓬松的气凝胶前驱体，这种蓬松的气凝胶前驱体有利于材料在高温焙烧过程中进行有序的排列组装，由此提高催化剂的性能。另外，本发明发现植物提取物不仅为制备过程提供磷源，而且还能优化催化剂的结构，提高孔隙率。本发明的异质元素掺杂的氮化碳光催化材料纯度高，使用的磷源无任何毒害和副作用，无副产物混入，工艺流程简单，产氢速率高，适合工业化大规模生产。
附图说明
图1为一种示例性异质元素掺杂氮化碳光催化材料的制备过程示意图。
图2为示例性的异质元素掺杂氮化碳光催化材料的X射线衍射图。
图3为示例性的异质元素掺杂氮化碳光催化材料的扫描电镜(SEM)图。
图4为示例性的异质元素掺杂氮化碳光催化材料的光催化分解水产氢性能图。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为具体公开了该范围的上限和下限以及它们之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
本发明的第一方面，提供一种异质元素掺杂的氮化碳光催化材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)使石墨相氮化碳前驱物与植物提取物在溶液中反应得到凝胶材料，其中所述植物提取物为以植物为原料经提取得到的包含含磷化合物和肌醇的混合物；
(2)在惰性气体保护下通过程序升温来焙烧所述凝胶材料，制得异质元素掺杂的氮化碳光催化材料。
步骤(1)
具体地，本发明步骤(1)中的石墨相氮化碳前驱物一般为富C和富N的化合物，其实例包括但不限于三聚氰胺、双氰胺、氰胺、硫脲和尿素。本发明的植物提取物为以植物为原料经提取得到的混合物，其包含含磷化合物和肌醇。本发明中，含磷化合物能够为石墨相氮化碳提供异质元素磷。本发明发现，与现有技术中使用纯的人工合成化合物不同，可以直接使用从植物提取的天然产物作为异质元素来源，所得催化剂具有优异的效果，无任何毒副作用。另外，本发明的植物提取物还包含肌醇。本发明意外发现，肌醇的存在可优化催化剂的结构，提高孔隙率。其原因可能在于，肌醇在异质元素掺杂过程结构单元缩聚时作为造孔剂，优化结构单元及其造孔结构形貌，使合成的材料具有较大的比表面积，基于对异质元素掺杂形成g-C3N4晶格缺陷时的优化和形貌的改变，可提高材料的光吸收能力及提供更多的活性位点，最终提高其光催化性能。在某些实施方案中，含磷化合物与肌醇可以作为同一物质例如肌醇六磷酸的形式存在。在某些实施方案中，含磷化合物与肌醇以两种不同的物质存在，例如有机磷化合物和少量肌醇。
本发明的植物提取物可以多种植物为原料提取得到。具体地，作为本发明原料的植物，优选富含所需杂原子(如P、S等)的植物，其包括植物整体，也包括植物的部分材料，例如种籽部分，或植物的加工副产物等。在某些实施方案中，所述植物的实例包括但不限于稻壳、酒糟、米糠和菜籽粕。本发明可以使用上述物质中的一种，也可以使用上述物质中的多种。
在示例性实施方案中，本发明的植物提取物通过沉淀法提取得到。具体地，对菜籽粕等植物进行酸浸液处理，过滤后的浸泡液使用碱溶液中和得到中和液，过滤所述中和液得到沉淀物，并将所得沉淀物进行二次酸化，得到植物提取物。其中酸浸液的pH值为2.0-3.0，从而防止含磷化合物与蛋白质例如球蛋白结合，生成过多的不溶于酸的复合物影响提取的质量，保证含磷化合物的提取率。
在优选地实施方案中，在沉淀法时向浸泡液加入选自由尿素、硫酸钠、碳酸铵、硫酸铵和氯化钠组成的组中的至少之一。优选地，选择硫酸钠作为助剂防止蛋白的引入影响结构单元。另外在沉淀法中，硫酸钠以沉淀盐析出，还可在异质元素掺杂过程中提供硫元素。
本发明的提取物中可通过已知的检测手段来检测含磷化合物和肌醇。例如,采用滴定法、高压液相色谱法、分光光度法等检测含磷化合物及其含量。在具体实施方案中，采用以磺基水杨酸，在pH为6-7条件下，置于分光光度计中进行检测，波长设置为500-510nm，优选地，波长设置为505nm。另外，可通过已知方法检测肌醇的存在及含量。例如，可采用国标GB/T5009.196-2003来检测肌醇。
在优选的实施方案中，本发明进一步包括形成水凝胶材料后通过冷冻干燥水凝胶，然后进行下面步骤(2)的操作，其冷冻干燥采用常规操作即可。本发明通过冷冻干燥可得到蓬松的气凝胶前驱体，从而进一步提高催化性能。
步骤(2)
步骤(2)为获得本发明的异质元素掺杂的氮化碳光催化材料步骤。即，在惰性气体保护下通过程序升温来焙烧所述气凝胶材料，制得异质元素掺杂的氮化碳光催化材料。优选地，本发明的程序升温的升温速率为2-10℃/min，至所需的温度后保持一定的时间。例如，在升温至500-600℃后保持2-5小时。再优选地，升温速率为2-8℃/min，在升温至520-600℃后保持2-5小时。本发明的惰性气体可选自由氦、氮和氩所组成的组中的一种，优选为氩气。在这一过程中，前驱物例如三聚氰胺的结构重新排列，从而形成了三嗪结构单元，当温度达到程序升温的最高温度时，三嗪结构单元进一步缩聚形成了氮化碳材料。步骤(1)的植物提取物中的含磷化合物和肌醇在该步骤中取代三嗪结构单元中的碳和氮元素并形成造孔结构，进而形成g-C3N4的晶格缺陷，达到光生电子-空穴对高效分离的效果，提高光催化性能，且自组装三聚氰胺前躯体的制备过程中，植物提取物与三聚氰胺通过静电作用和氢键作用形成自组装的水凝胶，将水凝胶进行冷冻干燥后得到蓬松的气凝胶前驱体，其中植物提取物为磷源，前驱体在焙烧过程中通过热解和聚合得到磷掺杂氮化碳光催化材料，其中蓬松的前驱体有利于材料在高温焙烧过程中进行有序的排列组装，提高催化剂的性能。
实施例1
本实施例为异质元素掺杂氮化碳光催化材料的制备过程使用的植物提取物的一种示例性提取和检测过程。其具体步骤如下：
a.使用硫酸钠和乙酸溶液浸泡选菜籽粕得到浸泡液，并使用pH计调节溶液的pH值在2.5；
b.过滤所得浸泡液，之后用浓度10％的氢氧化钠溶液中和得到中和液，并使用pH计调节溶液的pH值在7.5；
c.过滤中和液得到沉淀物，并将所得沉淀物使用1mol/l的盐酸进行二次酸化，并使用pH计调节溶液的pH值在1.5得到植物提取物。
实施例2
本实施例为异质元素掺杂氮化碳光催化材料的制备过程使用的植物提取物的另一种示例性提取和检测过程。其具体步骤如下：
a.使用硫酸钠和乙酸溶液浸泡选菜籽粕得到浸泡液，并使用pH计调节溶液的pH值在2.5；
b.过滤所得浸泡液，之后用含10％氢氧化钠和5％硫酸铵的溶液中和得到中和液，并使用pH计调节溶液的pH值在7.5；
c.过滤中和液得到沉淀物，并将所得沉淀物使用1mol/l的盐酸进行二次酸化，并使用pH计调节溶液的pH值在1.5得到植物提取物。
实施例3
图1为一种示例性异质元素掺杂氮化碳光催化材料的制备过程示意图。如图1所示，通过三聚氰胺和植物提取物可以络合形成水凝胶，而且最后制得的P-C3N4光催化剂材料为棕色，有利于光的吸收利用，从而提高光催化性能。
具体制备过程包括：首先称取20mmol三聚氰胺加入到10ml水，待搅拌均匀后，吸取200μL植物提取物(50％，实施例1)加入到上述混合物中，继续搅拌直至得到水凝胶。将制得的水凝胶冷冻干燥制得气凝胶前驱体。然后将上述步骤制备的自组装气凝胶前驱体放入管式炉中，氩气气氛下升温至600℃保持3h，升温速率为2℃/min，得到异质掺杂氮化碳光催化材料。
实施例4
本实施例为另一示例性异质元素掺杂氮化碳光催化材料的制备过程。其制备过程包括：首先称取30mmol三聚氰胺加入到10ml水，待搅拌均匀后，吸取200μL植物提取物(50％，实施例1)加入到上述混合物中，继续搅拌直至得到水凝胶。将制得的水凝胶冷冻干燥制得气凝胶前驱体。然后将上述步骤制备的自组装气凝胶前驱体放入管式炉中，氩气气氛下升温至550℃保持3h，升温速率为2℃/min，得到异质掺杂氮化碳光催化材料。
实施例5
本实施例为另一示例性异质元素掺杂氮化碳光催化材料的制备过程。其制备过程包括：首先称取40mmol三聚氰胺加入到10ml水，待搅拌均匀后，吸取200μL植物提取物(50％，实施例2)加入到上述混合物中，继续搅拌直至得到水凝胶。将制得的水凝胶冷冻干燥制得气凝胶前驱体。然后将上述步骤制备的自组装气凝胶前驱体放入管式炉中，氩气气氛下升温至500℃保持3h，升温速率为2℃/min，得到异质掺杂氮化碳光催化材料。
测试例
采用分光光度法测定提取液中的含磷化合物，将1ml植物提取物和1ml浓度为15％的三氯乙酸混合置于冰盒2h后离心取上清，在pH 6.5条件下使用蒸馏水稀释至15ml，取1.5ml稀释液加入0.5ml浓度为0.3％的磺基水杨酸和浓度为0.03％的氯化铁，充分混合后置于分光光度计中进行检测，波长设置为505nm，浓度按下式进行计算：
Figure BDA0002230172610000101
其中：C为含磷化合物的浓度(mg/mL)；A为吸光度。
图2为实施例3的异质元素掺杂氮化碳光催化材料的X射线衍射图。图中可以看出，三聚氰胺和植物提取物络合形成的前驱体依然为三聚氰胺的物相，通过对比P-C3N4和g-C3N4的XRD谱图发现，掺入磷元素以后材料的XRD谱图没有发生变化，说明磷元素的掺杂没有改变物相。
图3为实施例3的异质元素掺杂氮化碳光催化材料的扫描电镜(SEM)图，通过扫描电镜图可以看出在催化材料中均匀分布有C、O、P元素，说明在得到的g-C3N4中掺杂了P元素。
为验证本发明的材料的光催化活性，以实施例3制备得到的异质元素掺杂氮化碳材料进行光催化分解水产氢性能测定。其具体步骤如下：
将50mg氮化碳材料分散于含有10％体积比的甲醇的水溶液中，然后加入含有3wt.％当量的氯铂酸溶液，向溶液中持续通入氩气以除去水溶液内的氧气，然后用300W氙灯光源持续照射上述溶液，采用气相色谱法测定产氢量，其催化分解水产氢结果见图4，如图4所示，本发明得到的异质元素掺杂的氮化碳材料光催化分解水产氢性能大幅度提升，是普通g-C3N4催化材料的大约4倍。
尽管本发明已经参考示例性实施方案进行了描述，但应理解本发明不限于公开的示例性实施方案。在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的示例性实施方案做多种调整或变化。权利要求的范围应基于最宽的解释以涵盖所有修改和等同结构与功能。

Claims (8)

1.一种异质元素掺杂的氮化碳光催化材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
使石墨相氮化碳前驱物与植物提取物在溶液中反应得到水凝胶材料，其中所述植物提取物为以植物为原料经提取得到的包含含磷化合物和肌醇的混合物，其中所述提取步骤包括：使用酸溶液浸泡选自由稻壳、酒糟、米糠和菜籽粕组成的组中的至少之一的植物原料得到浸泡液；过滤所得浸泡液，之后用碱溶液中和滤液得到中和液；过滤中和液得到沉淀物，将所得沉淀物进行酸化，得到植物提取物；
通过冷冻干燥所述水凝胶材料得到气凝胶材料；
在惰性气体保护下通过程序升温来焙烧所述气凝胶材料，制得异质元素掺杂的氮化碳光催化材料。
2.根据权利要求1所述的异质元素掺杂的氮化碳光催化材料的制备方法，其特征在于，所述石墨相氮化碳前驱物选自由三聚氰胺、双氰胺、氰胺、硫脲和尿素组成的组中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的异质元素掺杂的氮化碳光催化材料的制备方法，其特征在于，所述酸溶液的pH值为2.0-3.0。
4.根据权利要求1所述的异质元素掺杂的氮化碳光催化材料的制备方法，其特征在于，在所述浸泡液加入选自由尿素、硫酸钠、碳酸铵、硫酸铵和氯化钠组成的组中的至少之一。
5.根据权利要求1所述的异质元素掺杂的氮化碳光催化材料的制备方法，其特征在于，所述程序升温的升温速率为2-10℃/min，在升温至500-600℃后保持2-5小时。
6.根据权利要求5所述的异质元素掺杂的氮化碳光催化材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
取三聚氰胺加入到水中，搅拌均匀得到混合物，取所述植物提取物加入到所述混合物中，继续搅拌直至得到水凝胶；将所述水凝胶冷冻干燥制得气凝胶前驱体；然后，将所述前驱体放入管式炉中，在惰性气体气氛下升温至500-600℃保持2-5h，升温速率为2-10℃/min，得到异质元素掺杂的氮化碳光催化材料。
7.一种异质元素掺杂的氮化碳光催化材料，其特征在于，其由根据权利要求1-6任一项所述的制备方法制备得到。
8.异质元素掺杂的氮化碳光催化材料在重整制氢中的应用，其特征在于，所述异质元素掺杂的氮化碳光催化材料为根据权利要求7所述的异质元素掺杂的氮化碳光催化材料。
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