一種氧化石墨相氮化碳及其制備方法與應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種新型的氧化石墨相氮化碳的制備方法，及利用氧化石墨相氮化碳 作為重金屬離子的吸附劑。
【背景技術(shù)】
[000引 1989年Liu和Cohen W目-SisN4晶體結(jié)構(gòu)為模型，采用C替代Si進行理論計 算發(fā)現(xiàn)目-C3N4具有與金剛石相媳美的硬度和更優(yōu)良的導(dǎo)熱性能。在此基礎(chǔ)上，1996年 Teter和化ml巧采用第一'I"生原理對C3N4進行重新計算，提出C 3N4具有5種結(jié)構(gòu)，即a 相、目相、C相（立方相）、p相（準立方相）和g相（石墨相）。其中類石墨相在常溫常壓 下最穩(wěn)定，具有半導(dǎo)體特性，其他四種結(jié)構(gòu)的氮化碳都是超硬材料，具有良好的化學(xué)惰性， 其穩(wěn)定性高于金剛石，能夠彌補金剛石穩(wěn)定性差的不足。
[000引在室溫下，g - C3N4是W二嗦環(huán)（-C 3N3)或者3 - S-二嗦環(huán)（-CeN,)組成的平 面片層結(jié)構(gòu)，環(huán)與環(huán)之間通過末端的N原子相連，形成無線拓展的n共輛平面，該些共 輛平面通過類石墨的方式堆積，形成了 g - C3N4該種特殊的結(jié)構(gòu)，賦予了 g - C3N4優(yōu)良的 耐磨性、化學(xué)熱穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性等，在催化劑載體和儲能材料具有很高的應(yīng)用前景。g -C3N4應(yīng)用光催化分解水制備氨氣，降解有機染料和催化有機反應(yīng)等。雖然g - C3N4應(yīng)用在 新型催化劑上具有穩(wěn)定、耐高溫，具有合適的能帶結(jié)構(gòu)等優(yōu)異性能，但有些缺點如比表面積 小、分散性差、光生電子和空穴快速復(fù)合導(dǎo)致量子效率較低等問題，大大降低了在催化領(lǐng)域 的應(yīng)用。
[0004]目前許多研究者采用改性的方法來提高g - C3N4的應(yīng)用領(lǐng)域。在改性方面，主要 通過引入有序介孔結(jié)構(gòu)，慘雜非金屬元素、沉積貴金屬，與其他半導(dǎo)體復(fù)合等方法提高g -C3N4的光催化活性。通過增大g - C3N4的比表面積來增加活性位點，提高催化效率。
[000引在g - C3N4的應(yīng)用過程中存在一個問題，由于g - C3N4的化學(xué)穩(wěn)定性高，各片層存 在很強的作用力，表面呈惰性狀態(tài)，從而導(dǎo)致片層極易堆疊在一起很難分散開來，很難溶解 于溶劑中，更難與其他無機材料或有機材料均勻地復(fù)合。該給g - C3N4的進一步研究和應(yīng) 用造成了極大的困難，因而改善g - C3N4在溶劑的分散性及其與各種材料均勻復(fù)合成為目 前最需要解決的問題。氧化石墨相氮化碳在重金屬污染處理方面還未見報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明提供了一種氧化石墨相氮化碳及其制備方法與應(yīng)用，本發(fā)明首次提出對g -C3N4的分散性進行化學(xué)改性，大大提高了在水溶液中的分散性，解決了一直W來在水溶液 中難分散的難題；本發(fā)明合成的氧化石墨相氮化碳表面含有大量的親水性基團，該些基團 對重金屬離子具有很強的吸附能力，并可進一步制備成高靈敏度的新型電極材料，大大拓 展了 g - C3N4的應(yīng)用范圍。
[0007] 本發(fā)明的第一個目的是通過W下技術(shù)方案實現(xiàn)的，氧化石墨相氮化碳，其結(jié)構(gòu)式 為：
【主權(quán)項】
1. 氧化石墨相氮化碳，其結(jié)構(gòu)式為：
所述 Rl 為-OH，R2 為-CHO, R3 為-COOH。
2. -種制備權(quán)利要求1所述的氧化石墨相氮化碳的制備方法，其特征是，包括以下步 驟： (1) 在冰水浴條件下，加入濃硫酸，在磁力攪拌器下，加入石墨相氮化碳，溶液呈黃色， 然后緩慢加入高錳酸鉀，加完后計時，在攪拌下反應(yīng)2-3小時，溶液呈成深棕色，控制反應(yīng) 溫度為不超過5 °C ; (2) 步驟（1)得到的深棕色溶液繼續(xù)在35-40 °C的水浴下攪拌反應(yīng)，有大量氣泡產(chǎn)生， 反應(yīng)1個小時后，緩慢加入去離子水稀釋； (3) 在步驟（2)得到稀釋液中加入摩爾濃度為1-2 mol/L的雙氧水還原，嚴格控制還原 溫度在35-45 °C，直至溶液呈乳白色； (4) 繼續(xù)將步驟（3)得到的乳白色溶液趁熱過濾，用摩爾濃度為1-2 mol/L的鹽酸和去 離子水充分洗滌，使溶液呈中性；在30-40 °C下真空干燥，得到白色粉末狀氧化石墨相氮 化碳。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的氧化石墨相氮化碳的制備方法，其特征是，步驟（1)中所述濃 硫酸的用量為每克所述石墨相氮化碳對應(yīng)23ml濃硫酸。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的氧化石墨相氮化碳的制備方法，其特征是，步驟（1沖所述高 錳酸鉀的用量為每克所述石墨相氮化碳對應(yīng)3克高錳酸鉀。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的氧化石墨相氮化碳的制備方法，其特征是，步驟（2沖所述去 離子水的用量為每克所述石墨相氮化碳對應(yīng)100mL去離子水。
6. 權(quán)利要求1所述的氧化石墨相氮化碳在重金屬離子吸附上的應(yīng)用，其特征在于：將 權(quán)利要求1所述的氧化石墨相氮化碳配制成濃度為1-3 mg/ml的水溶性溶液，加入摩爾濃 度200-300 mmol/L的重金屬離子溶液，在20-30 °C下反應(yīng)4-7 h，使溶液充分混合，靜置 1-3 h，使溶液達到吸附平衡，氧化石墨相氮化碳溶液出現(xiàn)團聚，通過電化學(xué)表征及電鏡照 片觀察到氧化石墨相氮化碳吸附了重金屬離子。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的氧化石墨相氮化碳在重金屬離子吸附上的應(yīng)用，其特征是， 所述重金屬離子溶液為硫酸銅、硝酸鉛或硝酸汞溶液。
【專利摘要】本發(fā)明公開了石墨相氮化碳（g-C3N4）表面改性的處理方法，合成了氧化石墨相氮化碳。本發(fā)明還公開了利用氧化石墨相氮化碳作為重金屬離子的吸附劑。本發(fā)明解決了石墨相氮化碳難溶于溶劑及與各種材料均勻復(fù)合的問題。將石墨相氮化碳經(jīng)濃硫酸及高錳酸鉀氧化處理，再經(jīng)雙氧水還原，得到表面帶有羥基、羧基和環(huán)氧基等親水性官能團的水溶性氧化石墨相氮化碳。所得表面改性的氧化石墨相氮化碳形貌呈現(xiàn)為不規(guī)則三維蜂窩孔洞結(jié)構(gòu)，比表面積大大增加，具有很好的親水性和分散性，有利于石墨相氮化碳與其他材料的相容性，對重金屬離子具有很強的吸附能力。
【IPC分類】C02F1-28, C07D251-22, C02F1-62, B01J20-22, B01J20-30
【公開號】CN104672159
【申請?zhí)枴緾N201510031354
【發(fā)明人】王赪胤, 呂紅映, 陳敬平, 王春霞
【申請人】揚州大學(xué)
【公開日】2015年6月3日
【申請日】2015年1月21日