本發(fā)明涉及一種新材料制備
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別涉及一種基于纖維素的三維多孔g-C3N4/C氣凝膠及其制備方法。
背景技術(shù)：
：石墨相氮化碳(g-C3N4)是一種不含金屬的有機(jī)半導(dǎo)體材料，禁帶寬度約2.7eV，理論比表面積高，電子結(jié)構(gòu)可調(diào)，在光催化領(lǐng)域有著誘人的應(yīng)用前景。此外，g-C3N4具有良好的化學(xué)惰性、熱穩(wěn)定性以及生物兼容性等，有可能在各種材料科學(xué)應(yīng)用中替代石墨碳材料。這些優(yōu)異的性質(zhì)使其應(yīng)用于合成金屬氮化物的氮源、催化劑、光催化劑、催化劑載體、高性能的耐磨涂層等方面。通過(guò)氰胺(二聚氰胺或三聚氰胺)單體高溫自聚合是近年來(lái)合成體相g-C3N4較成熟的方法之一。Zhang等人用不同的溫度加熱三聚氰胺制備了不同催化活性的g-C3N4(G.Zhangetal.,J.Mater.Chem.2012,22,8083)；蔡學(xué)俊以手性介孔二氧化硅為硬模板，熱聚合氰胺獲得了手型g-C3N4(CN103240119A)。但現(xiàn)有研究制備的g-C3N4多以粉末狀態(tài)存在，它很難回收利用，并且容易造成二次污染。因而制備一種工藝簡(jiǎn)單，比表面積較大，光催化效果好，多孔塊狀易回收的光催化劑很有必要。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于提供一種基于纖維素的三維多孔g-C3N4/C氣凝膠及其制備方法。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：以纖維素氣凝膠為載體，利用纖維素氣凝膠的大比面積和高吸附性能，通過(guò)擠壓吸附三聚氰胺，經(jīng)高溫煅燒制備得到一種基于纖維素的三維多孔g-C3N4/C氣凝膠。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案具體包括如下步驟：一、一種基于纖維素的三維多孔g-C3N4/C氣凝膠的制備方法：通過(guò)擠壓吸附方法將三聚氰胺負(fù)載到纖維素氣凝膠表面，經(jīng)高溫煅燒將三聚氰胺熱聚合轉(zhuǎn)化為石墨相氮化碳并均勻沉積在碳?xì)饽z上，經(jīng)高溫煅燒使得纖維素氣凝膠的纖維素碳化而轉(zhuǎn)化成碳?xì)饽z，并同時(shí)將三聚氰胺熱聚合轉(zhuǎn)化為石墨相氮化碳并均勻沉積到碳?xì)饽z上，得到具有三維多孔結(jié)構(gòu)的g-C3N4/C氣凝膠，即三維多孔g-C3N4/C氣凝膠。(1)纖維素氣凝膠的制備：將2-4.5g纖維素溶解于-12℃預(yù)冷的質(zhì)量比為7：12：81的氫氧化鈉/尿素/水混合溶液中，劇烈攪拌得到濃度為2～4.5wt％的纖維素溶液；然后加入0.6～1.5g交聯(lián)劑N，N'-亞甲基雙丙烯酰胺，常溫下攪拌30分鐘進(jìn)行化學(xué)交聯(lián)，水洗后冷凍干燥，即得纖維素氣凝膠。(2)三維多孔g-C3N4/C氣凝膠的制備：將5～15g三聚氰胺倒入300mL去離子水中攪拌得三聚氰胺懸濁液，再將步驟(1)制得的纖維素氣凝膠浸入三聚氰胺懸濁液中并浸沒(méi)，通過(guò)多次擠壓吸附懸濁液中的三聚氰胺，經(jīng)冷凍干燥或60℃烘箱干燥得到負(fù)載有三聚氰胺的纖維素氣凝膠；最后將負(fù)載有三聚氰胺的纖維素氣凝膠置于管式爐中，在氬氣保護(hù)下，以1～5℃/min的速度升溫至520～600℃，煅燒4h后，自然冷卻至常溫，即得三維多孔g-C3N4/C氣凝膠。所述擠壓是通過(guò)外物或者帶手套進(jìn)行擠壓。所述的纖維素采用纖維素粉、脫脂棉、廢棄紙漿粕、木漿粕、棉漿粕等纖維素材料中的任一種。所述的纖維素氣凝膠具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其孔徑分布在1-200μm，比表面積分布在20-60m2/g之間。經(jīng)高溫煅燒使得所述纖維素氣凝膠碳化為碳?xì)饽z，并同時(shí)將所述三聚氰胺熱聚合轉(zhuǎn)化為石墨相氮化碳以化學(xué)氣相均勻沉積到碳?xì)饽z的多孔壁上。本發(fā)明采用高溫煅燒法不僅將三聚氰胺熱聚合為石墨相氮化碳，同時(shí)把纖維素氣凝膠煅燒為碳?xì)饽z并保留了其三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，石墨相的氮化碳以化學(xué)氣相沉積的方法均勻地生長(zhǎng)在碳?xì)饽z的多孔壁上，形成了一個(gè)整體。二、一種基于纖維素的三維多孔g-C3N4/C氣凝膠，是采用上述方法制備而成。所述的三維多孔g-C3N4/C氣凝膠中的氮化碳并不是如顆?；蚱瑺罡捷d在碳?xì)饽z表面，而是與碳?xì)饽z形成整體，成為均勻平整的氮化碳層。本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明采用高溫煅燒法不僅將三聚氰胺熱聚合為石墨相氮化碳，同時(shí)把纖維素氣凝膠煅燒為碳?xì)饽z并保留原有的三維結(jié)構(gòu)。石墨相的氮化碳化學(xué)氣相沉積的方法均勻地生長(zhǎng)在碳?xì)饽z的多孔壁上，孔徑均勻，比表面積較大，光催化效果好。并且制備方法操作簡(jiǎn)單、可重復(fù)性好、成本低。附圖說(shuō)明圖1為實(shí)施例1所得三維多孔g-C3N4/C氣凝膠的XRD圖譜。圖2為實(shí)施例2所得三聚氰胺負(fù)載的纖維素氣凝膠的FESEM照片。圖3為實(shí)施例2所得三維多孔g-C3N4/C氣凝膠的FESEM照片。圖4為實(shí)施例3所得三維多孔g-C3N4/C氣凝膠的FTIR光譜。具體實(shí)施方式為更進(jìn)一步闡述本發(fā)明所采取的技術(shù)手段，以下結(jié)合本發(fā)明的實(shí)施例及其附圖進(jìn)行具體說(shuō)明。本發(fā)明的實(shí)施例如下：實(shí)施例1：(1)纖維素氣凝膠的制備：將2g纖維素粉溶解于-12℃預(yù)冷的質(zhì)量比為7：12：81的氫氧化鈉/尿素/水混合溶液中，劇烈攪拌得到濃度為2wt％的纖維素溶液；然后加入1.5g交聯(lián)劑N，N'-亞甲基雙丙烯酰胺，常溫下攪拌30分鐘進(jìn)行化學(xué)交聯(lián)，水洗后冷凍干燥，即得纖維素氣凝膠。(2)三維多孔g-C3N4/C氣凝膠的制備：將5g三聚氰胺倒入300mL去離子水中攪拌得三聚氰胺懸濁液，再將步驟(1)制得的纖維素氣凝膠浸入三聚氰胺懸濁液中，經(jīng)擠壓吸附懸濁液中的三聚氰胺，經(jīng)冷凍干燥或60℃烘箱干燥得到負(fù)載有三聚氰胺的纖維素氣凝膠；最后將負(fù)載有三聚氰胺的纖維素氣凝膠置于管式爐中，在氬氣保護(hù)下，以5℃/min的速度升溫至520℃，煅燒4h后，自然冷卻至常溫，即得三維多孔g-C3N4/C氣凝膠，測(cè)得比表面積為57m2/g。圖1為該產(chǎn)物的XRD圖譜，根據(jù)其所顯示的峰值，說(shuō)明所得產(chǎn)物含有二維結(jié)構(gòu)的石墨相氮化碳。實(shí)施例2：(1)纖維素氣凝膠的制備：將4g脫脂棉溶解于-12℃預(yù)冷的質(zhì)量比為7：12：81的氫氧化鈉/尿素/水混合溶液中，劇烈攪拌得到濃度為4wt％的纖維素溶液；然后加入0.6g交聯(lián)劑N，N'-亞甲基雙丙烯酰胺，常溫下攪拌30分鐘進(jìn)行化學(xué)交聯(lián)，水洗后冷凍干燥，即得纖維素氣凝膠。(2)三維多孔g-C3N4/C氣凝膠的制備：將15g三聚氰胺倒入300mL去離子水中攪拌得三聚氰胺懸濁液，再將步驟(1)制得的纖維素氣凝膠浸入三聚氰胺懸濁液中，經(jīng)擠壓吸附懸濁液中的三聚氰胺，經(jīng)冷凍干燥或60℃烘箱干燥得到負(fù)載有三聚氰胺的纖維素氣凝膠；最后將負(fù)載有三聚氰胺的纖維素氣凝膠置于管式爐中，在氬氣保護(hù)下，以1℃/min的速度升溫至600℃，煅燒4h后，自然冷卻至常溫，即得三維多孔g-C3N4/C氣凝膠。圖2為負(fù)載三聚氰胺的纖維素氣凝膠的SEM照片，可以看出三聚氰胺能較好的吸附在纖維素氣凝膠中。經(jīng)高溫煅燒，即得三維多孔g-C3N4/C氣凝膠，其SEM照片如圖3所示?？梢钥闯鏊卯a(chǎn)物具有均勻的片狀多孔結(jié)構(gòu)，其孔徑大小分布在10-150μm之間，比表面積為32m2/g，且氮化碳均勻沉積在碳?xì)饽z上。實(shí)施例3：(1)纖維素氣凝膠的制備：將4.5g紙漿粕溶解于-12℃預(yù)冷的質(zhì)量比為7：12：81的氫氧化鈉/尿素/水混合溶液中，劇烈攪拌得到濃度為4.5wt％的纖維素溶液；然后加入1.0g交聯(lián)劑N，N'-亞甲基雙丙烯酰胺，常溫下攪拌30分鐘進(jìn)行化學(xué)交聯(lián)，水洗后冷凍干燥，即得纖維素氣凝膠。(2)三維多孔g-C3N4/C氣凝膠的制備：將10g三聚氰胺倒入300mL去離子水中攪拌得三聚氰胺懸濁液，再將步驟(1)制得的纖維素氣凝膠浸入三聚氰胺懸濁液中，經(jīng)擠壓吸附懸濁液中的三聚氰胺，經(jīng)冷凍干燥或60℃烘箱干燥得到負(fù)載有三聚氰胺的纖維素氣凝膠；最后將負(fù)載有三聚氰胺的纖維素氣凝膠置于管式爐中，在氬氣保護(hù)下，以2℃/min的速度升溫至550℃，煅燒4h后，自然冷卻至常溫，即得三維多孔g-C3N4/C氣凝膠，測(cè)得比表面積為20m2/g。圖4為該產(chǎn)物的FT-IR圖譜，說(shuō)明所得產(chǎn)物含有石墨相氮化碳。實(shí)施例4：(1)纖維素氣凝膠的制備：將3g木漿粕溶解于-12℃預(yù)冷的質(zhì)量比為7：12：81的氫氧化鈉/尿素/水混合溶液中，劇烈攪拌得到濃度為3wt％的纖維素溶液；然后加入1.2g交聯(lián)劑N，N'-亞甲基雙丙烯酰胺，常溫下攪拌30分鐘進(jìn)行化學(xué)交聯(lián)，水洗后冷凍干燥，即得纖維素氣凝膠。(2)三維多孔g-C3N4/C氣凝膠的制備：將5g三聚氰胺倒入300mL去離子水中攪拌得三聚氰胺懸濁液，再將步驟(1)制得的纖維素氣凝膠浸入三聚氰胺懸濁液中，經(jīng)擠壓吸附懸濁液中的三聚氰胺，經(jīng)冷凍干燥或60℃烘箱干燥得到負(fù)載有三聚氰胺的纖維素氣凝膠；最后將負(fù)載有三聚氰胺的纖維素氣凝膠置于管式爐中，在氬氣保護(hù)下，以3℃/min的速度升溫至550℃，煅燒4h后，自然冷卻至常溫，即得三維多孔g-C3N4/C氣凝膠，測(cè)得比表面積為37m2/g。實(shí)施例5：(1)纖維素氣凝膠的制備：將4.5g木漿粕溶解于-12℃預(yù)冷的質(zhì)量比為7：12：81的氫氧化鈉/尿素/水混合溶液中，劇烈攪拌得到濃度為4.5wt％的纖維素溶液；然后加入1.5g交聯(lián)劑N，N'-亞甲基雙丙烯酰胺，常溫下攪拌30分鐘進(jìn)行化學(xué)交聯(lián)，水洗后冷凍干燥，即得纖維素氣凝膠。(2)三維多孔g-C3N4/C氣凝膠的制備：將10g三聚氰胺倒入300mL去離子水中攪拌得三聚氰胺懸濁液，再將步驟(1)制得的纖維素氣凝膠浸入三聚氰胺懸濁液中，經(jīng)擠壓吸附懸濁液中的三聚氰胺，經(jīng)冷凍干燥或60℃烘箱干燥得到負(fù)載有三聚氰胺的纖維素氣凝膠；最后將負(fù)載有三聚氰胺的纖維素氣凝膠置于管式爐中，在氬氣保護(hù)下，以2℃/min的速度升溫至550℃，煅燒4h后，自然冷卻至常溫，即得三維多孔g-C3N4/C氣凝膠，測(cè)得比表面積為24m2/g。在30W日光燈下照射2h，上述實(shí)施例1-5所得樣品對(duì)50mL濃度為20mg/L甲基橙水溶液的降解率如表1所示。結(jié)果可看出，實(shí)施例1-5所得樣品在可見(jiàn)光照射下，對(duì)甲基橙的降解率達(dá)到75％～84％，顯示出較高的催化降解性能。表1.實(shí)施例1-5所得樣品對(duì)甲基橙的降解率實(shí)施例1實(shí)施例2實(shí)施例3實(shí)施例4實(shí)施例5降解率(％)94.280.775.885.176.0以上列舉的僅是本發(fā)明的具體實(shí)施例子。顯然，本發(fā)明不限于以上實(shí)施例子，還可以有許多變形。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能從本發(fā)明公開(kāi)的內(nèi)容直接導(dǎo)出或聯(lián)想到的所有變形，均應(yīng)認(rèn)為是本發(fā)明的保護(hù)范圍。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3