一种氮化硼量子点/超薄多孔氮化碳复合光催化材料及其制备方法和应用与流程

本发明属于光催化复合材料技术领域，具体涉及一种氮化硼量子点/超薄多孔氮化碳复合光催化材料及其制备方法和应用。

背景技术：

近年来，药物及个人护理品（ppcps）作为一种新兴污染物日益受到人们的关注，其中抗生素尤为引起人们的重视，因为它会增强环境中细菌的耐药性从而威胁人体的健康。如，盐酸土霉素是一种广谱类抗生素，若畜禽摄入的盐酸土霉素未经完全代谢和吸收而直接排出，会导致畜禽废水中的盐酸土霉素检出率增高。目前，常规的物理吸附、化学氧化和生物过滤等技术方法均无法满足高效、经济且环保的处理含盐酸土霉素废水的要求。因此，寻求一种绿色、经济、高效的处理剂来去除水中抗生素污染物迫在眉睫。

光催化技术是近来快速发展的一种高级氧化技术，它能够利用太阳光实现对有机污染物的高效降解，且对环境无二次污染。光催化材料由于受到太阳光的激发，能够产生电子-空穴对，电子和空穴通过与水进行自由基的传递从而产生超氧自由基和羟基自由基，进而实现有机污染物的降解。然而，目前的光催化材料大多含有金属元素，且光吸收的区域主要集中在紫外区，严重阻碍了光催化材料的实际应用。类石墨型氮化碳是一种能被可见光激发的非金属光催化材料，但是一般方法制备的氮化碳成块状，活性位点较少，且光生电子-空穴对容易复合，从而抑制了它的光催化活性。现有技术中，已有氮化硼修饰氮化碳复合光催化材料的相关报道，虽然这些复合光催化材料中通过将氮化硼修饰在氮化碳上以提高氮化碳的光催化活性，但是这些由氮化硼和氮化碳复合而成的复合光催化材料通常呈层叠块状，不利于光生载流子的分离与转移，且存在活性官能团少、反应活性位点少等缺陷。另外，这些复合光催化材料中采用的氮化硼呈沙状或层状，存在分散性较差、暴露在外的活性官能团和活性中心较少等缺陷，因而将其修饰在氮化碳上并不能显著提高光生载流子的分离与转移速率，仍然存在光催化活性不足等问题。因此，如何克服现有技术中的缺点和不足，提供一种环境友好、稳定性好、分散性好、催化活性高的新型非金属复合光催化材料，对于拓宽光催化技术在环境污染物治理领域中的应用范围具有重要意义。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种环境友好、稳定性好、分散性好、催化活性高的氮化硼量子点/超薄多孔氮化碳复合光催化材料及其制备方法和应用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种氮化硼量子点/超薄多孔氮化碳复合光催化材料，所述氮化硼量子点/超薄多孔氮化碳复合光催化材料以超薄多孔氮化碳为载体，所述超薄多孔氮化碳上负载有氮化硼量子点。

上述的氮化硼量子点/超薄多孔氮化碳复合光催化材料，进一步改进的，所述超薄多孔氮化碳的平均厚度为2.5nm～3.5nm；所述氮化硼量子点与超薄多孔氮化碳的质量比为1∶120～1200。

作为一个总的技术构思，本发明还提供了一种上述的氮化硼量子点/超薄多孔氮化碳复合光催化材料的制备方法，包括以下步骤：

s1、将三聚氰胺、硼酸与水混合，搅拌，得到悬浮液；将所述悬浮液进行水热反应，过滤，得到氮化硼量子点溶液；

s2、将超薄多孔氮化碳分散于易挥发有机溶剂中，加入步骤s1中得到的氮化硼量子点溶液，搅拌，直至易挥发有机溶剂完全挥发，得到氮化硼量子点/超薄多孔氮化碳复合光催化材料。

上述的制备方法，进一步改进的，所述步骤s2中，所述超薄多孔氮化碳的制备方法包括以下步骤：

（1）将三聚氰胺、硫脲与水混合，搅拌，得到悬浮液；

（2）将步骤（1）中得到的悬浮液进行水热反应，过滤，洗涤，干燥，得到超薄多孔氮化碳前驱体；

（3）将步骤（2）中得到的超薄多孔氮化碳前驱体进行高温煅烧，得到超薄多孔氮化碳。

上述的制备方法，进一步改进的，所述步骤（1）中，所述三聚氰胺、硫脲与水的比例为2g∶1.207g∶60ml；所述搅拌的时间为10min～30min。

上述的制备方法，进一步改进的，所述步骤（2）中，所述水热反应的温度为160℃～180℃，所述水热反应的时间为20h～24h；所述过滤的方式是采用孔径为0.22μm的有机相滤膜进行真空抽滤；所述洗涤的方式是采用水和乙醇各洗涤3次～5次；所述干燥的温度为60℃～80℃。

上述的制备方法，进一步改进的，所述步骤（3）中，所述高温煅烧过程中升温速率为2℃/min～10℃/min；所述高温煅烧的温度为450℃～650℃；所述高温煅烧的时间为1h～3h。

上述的制备方法，进一步改进的，所述步骤s1中，所述三聚氰胺、硼酸、水的比例为0.034g∶0.1g∶10ml；所述搅拌的时间为10min～30min；所述水热反应的温度为180℃～200℃；所述水热反应的时间为12h～16h；所述过滤的方式是采用孔径为0.22μm的有机相滤膜进行真空抽滤。

上述的制备方法，进一步改进的，所述步骤s2中，所述超薄多孔氮化碳与氮化硼量子点溶液的比例为0.3g∶0.5ml～3ml；所述氮化硼量子点溶液的浓度为0.5mg/ml；所述易挥发有机溶剂为乙醇；所述搅拌的转速为400r/min～500r/min；所述搅拌的时间为20h～24h。

作为一个总的技术构思，本发明还提供了一种上述的氮化硼量子点/超薄多孔氮化碳复合光催化材料或上述的制备方法制得的氮化硼量子点/超薄多孔氮化碳复合光催化材料在处理抗生素中的应用。

上述的应用，进一步改进的，利用氮化硼量子点/超薄多孔氮化碳复合光催化材料降解水体中的抗生素，包括以下步骤：将氮化硼量子点/超薄多孔氮化碳复合光催化材料与抗生素水体混合，在黑暗条件下搅拌，使氮化硼量子点/超薄多孔氮化碳复合光催化材料达到吸附平衡，在可见光照射下将混合溶液进行光催化降解反应，完成对抗生素的降解；所述氮化硼量子点/超薄多孔氮化碳复合光催化材料的添加量为每升抗生素水体中添加氮化硼量子点/超薄多孔氮化碳复合光催化材料0.5g～2g。

上述的应用，进一步改进的，所述抗生素水体为盐酸土霉素溶液；所述盐酸土霉素溶液中盐酸土霉素的初始浓度为5mg/l～20mg/l；所述搅拌的时间为15min～60min；所述光催化降解反应的时间为30min～90min。

本发明的主要创新点在于：本发明氮化硼量子点/超薄多孔氮化碳复合光催化材料是一种由零维材料和二维材料复合而成的新型非金属复合光催化材料，其中零维材料为氮化硼量子点，具有较多的边缘活性官能团和活性中心以及较好的分散性，将其负载在具有超薄多孔结构的氮化碳（二维材料）表面，有利于光生载流子的分离与转移，从而显著提升光催化材料的光催化活性，因而该新型非金属复合光催化材料具有优异的催化活性，能够在可见光条件下光催化降解水体中的抗生素（如盐酸土霉素），可实现对抗生素的有效去除，且不会对环境造成二次污染。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

（1）本发明提供了一种氮化硼量子点/超薄多孔氮化碳复合光催化材料，以超薄多孔氮化碳为载体，氮化硼量子点负载在超薄多孔氮化碳上。本发明中，以超薄多孔氮化碳作为氮化硼量子点的载体，其中该载体材料比表面积大，有利于氮化硼量子点的分散和负载，同时该载体材料具有超薄多孔结构，有利于光生载流子的分离与转移，从而有利于提升复合光催化材料的光催化活性。此外，氮化硼量子点具有较多的边缘活性官能团和活性中心以及更好的分散性，将其负载在具有超薄多孔结构的氮化碳（二维材料）表面，能够大幅提升超薄多孔氮化碳上光生载流子的分离与转移速率，进而显著提升复合光催化材料的光催化性能。本发明氮化硼量子点/超薄多孔氮化碳复合光催化材料具有环境友好、稳定性好、分散性好、催化活性高等优点，是一种结构新颖、可见光光催化性能优异的新型非金属复合光催化材料，能更加充分高效的利用太阳能，这对于环境治理和绿色能源利用具有重要意义。

（2）本发明还提供了一种氮化硼量子点/超薄多孔氮化碳复合光催化材料的制备方法，以超薄多孔氮化碳和氮化硼量子点溶液为原料，通过搅拌使氮化硼量子点与超薄多孔氮化碳发生化学键键合，即可制备得到结构新颖、可见光光催化性能优异的氮化硼量子点/超薄多孔氮化碳复合光催化材料。本发明制备方法具有工艺简单、原材料易得、成本低廉等优点，同时该制备方法对环境友好、不产生有毒有害副产物，适合于大规模制备，符合实际生产的需求。

（3）本发明制备方法中，所用氮化硼量子点溶液是以三聚氰胺、硼酸为原料，利用水热反应法制备得到。相比于现有氮化硼（沙状氮化硼或层状六方氮化硼），本发明制得的氮化硼量子点具有较多的边缘活性官能团和活性中心以及更好的分散性，更有利于均匀负载在超薄多孔氮化碳上，从而更有利于提高光催化材料的催化活性。本发明制备氮化硼量子点溶液的方法具有制备工艺简单、易操作、成本低廉、不使用有毒有害原料、反应条件温和、对环境危害小等优点。

（4）本发明还提供了一种氮化硼量子点/超薄多孔氮化碳复合光催化材料在处理抗生素中的应用，如利用氮化硼量子点/超薄多孔氮化碳复合光催化材料降解水体中的抗生素，通过将氮化硼量子点/超薄多孔氮化碳复合光催化材料与抗生素水体混合，进行光催化降解反应即可实现对水体中抗生素的有效去除，具有操作简单、成本低廉、去除效果好等优点，有着很好的应用前景。以盐酸土霉素为例，采用本发明氮化硼量子点/超薄多孔氮化碳复合光催化材料降解60min，对盐酸土霉素的降解效率可达82%，且5次循环处理后对盐酸土霉素的降解效率仍高达77%，实现了对盐酸土霉素的高效去除，能够满足实际应用需求。

附图说明

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。

图1为本发明对比例1中制得的单体氮化碳光催化材料（g-c3n4）的tem图。

图2为本发明实施例1中制得的超薄多孔氮化碳（upcn）的tem图。

图3为本发明实施例1中制得的氮化硼量子点/超薄多孔氮化碳复合光催化材料（bnqds/upcn）的tem图。

图4为本发明实施例1中制得的氮化硼量子点/超薄多孔氮化碳复合光催化材料（bnqds/upcn）的afm图。

图5为本发明实施例1中制得的氮化硼量子点/超薄多孔氮化碳复合光催化材料（bnqds/upcn）和对比例1中制得的单体氮化碳光催化材料（g-c3n4）的xrd图。

图6为本发明实施例2中氮化硼量子点/超薄多孔氮化碳复合光催化材料（bnqds/upcn）和单体氮化碳光催化材料（g-c3n4）在波长λ＞420nm的可见光条件下对盐酸土霉素的光催化降解效果图。

图7为本发明实施例3中氮化硼量子点/超薄多孔氮化碳复合光催化材料（bnqds/upcn）在波长λ＞420nm的可见光条件下对盐酸土霉素的光催化循环降解效果图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

以下本发明实施例中，若无特别说明，所采用的材料和仪器均为市售，所采用工艺为常规工艺，所采用设备为常规设备，且所得数据均是三次以上重复实验的平均值。

实施例1

一种氮化硼量子点/超薄多孔氮化碳复合光催化材料，以超薄多孔氮化碳为载体，超薄多孔氮化碳上负载有氮化硼量子点。

本实施例中，超薄多孔氮化碳的平均厚度为2.6nm；氮化硼量子点与超薄多孔氮化碳的质量比为1∶200。

一种上述本实施例中的氮化硼量子点/超薄多孔氮化碳复合光催化材料的制备方法，包括以下步骤：

s1、制备超薄多孔氮化碳：取2g三聚氰胺、1.207g硫脲加入到60ml超纯水中混合，搅拌30min，得到悬浮液；将该悬浮液转移至反应釜中，在180℃下水热反应20h，待自然冷却后，采用孔径为0.22μm的有机相滤膜对水热反应后的产物溶液进行真空抽滤，所得固体物质用水和乙醇各洗涤3次，离心，弃去上清液，下层固体在70℃下干燥，得到超薄多孔氮化碳前驱体；将该超薄多孔氮化碳前驱体置于马弗炉内，以2.3℃/min的升温速率加热至520℃并保持3h，待自然冷却后取出，用研钵研磨，得到超薄多孔氮化碳，标记为upcn。

s2、制备氮化硼量子点溶液：取0.034g三聚氰胺、0.1g硼酸加入到10ml超纯水中混合，搅拌20min，得到悬浮液；将该悬浮液转移至反应釜中，在200℃下水热反应15h，待自然冷却后，采用孔径为0.22μm的有机相滤膜对水热反应后的产物溶液进行真空抽滤，得到氮化硼量子点溶液。

s3、制备氮化硼量子点/超薄多孔氮化碳复合光催化材料：取0.3g步骤s1中制得的超薄多孔氮化碳，超声均匀分散于乙醇中，加入3ml步骤s2中制得的氮化硼量子点溶液（0.5mg/ml），在400r/min转速下搅拌24h，通过搅拌使氮化硼量子点与超薄多孔氮化碳发生化学键键合，待乙醇完全挥发，得到氮化硼量子点/超薄多孔氮化碳复合光催化材料，标记为bnqds/upcn。

对比例1

一种单体氮化碳光催化材料的制备方法，包括以下步骤：取2g三聚氰胺放入坩埚中，置于马弗炉内，以2.3℃/min的升温速率加热至520℃并保温3h，待自然冷却后将其取出，用研钵研磨，得到黄色粉末样品，即为单体氮化碳光催化材料，标记为g-c3n4。

图1为本发明对比例1中制得的单体氮化碳光催化材料（g-c3n4）的tem图。由图1可知，单体氮化碳光催化材料呈块状聚集结构，且没有明显的孔洞结构。

图2为本发明实施例1中制得的超薄多孔氮化碳（upcn）的tem图。由图2可知，超薄多孔氮化碳（upcn）呈多孔薄片状结构。

图3为本发明实施例1中制得的氮化硼量子点/超薄多孔氮化碳复合光催化材料（bnqds/upcn）的tem图。由图3可知，氮化硼量子点/超薄多孔氮化碳复合光催化材料呈超薄片状结构，且表面负载有氮化硼量子点。

图4为本发明实施例1中制得的氮化硼量子点/超薄多孔氮化碳复合光催化材料（bnqds/upcn）的afm图。由图4可知，氮化硼量子点/超薄多孔氮化碳复合光催化材料呈超薄片状结构，且平均厚度为2.6nm。由于氮化硼量子点为零维材料，因而也可以说明超薄多孔氮化碳的平均厚度为2.6nm。

图5为本发明实施例1中制得的氮化硼量子点/超薄多孔氮化碳复合光催化材料（bnqds/upcn）和对比例1中制得的单体氮化碳光催化材料（g-c3n4）的xrd图。由图5可知，在13.1°和27.5°处出现两个明显的归属于石墨相氮化碳（100）和（002）晶面的xrd衍射峰，证实制备的产物为g-c3n4。对比单体氮化碳光催化材料，氮化硼量子点/超薄多孔氮化碳复合光催化材料的27.5°峰形变宽，峰强度变弱，证明超薄结构的存在。

实施例2

一种氮化硼量子点/超薄多孔氮化碳复合光催化材料在处理抗生素中的应用，具体为利用氮化硼量子点/超薄多孔氮化碳复合光催化材料降解水体中的盐酸土霉素，包括以下步骤：

取50mg实施例1中制得的氮化硼量子点/超薄多孔氮化碳复合光催化材料，加入到50ml、初始浓度为10mg/l的盐酸土霉素溶液中，混合均匀，在暗室（即黑暗条件下）中搅拌30min，使氮化硼量子点/超薄多孔氮化碳复合光催化材料达到吸附平衡，在波长λ＞420nm的可见光条件下将所得混合液进行光催化降解反应60min，完成对水体中盐酸土霉素的降解。

以对比例1中制得的单体氮化碳光催化材料为对照组，在相同条件下对盐酸土霉素溶液进行降解处理。

光催化降解反应过程中，每10min取3ml盐酸土霉素溶液，并利用紫外-可见分光光度计测出溶液中盐酸土霉素的特征峰值，计算降解效率，所得结果如图6所示。图6为本发明实施例2中氮化硼量子点/超薄多孔氮化碳复合光催化材料（bnqds/upcn）和单体氮化碳光催化材料（g-c3n4）在波长λ＞420nm的可见光条件下对盐酸土霉素的光催化降解效果图。由图6可知，光照60min后，本发明氮化硼量子点/超薄多孔氮化碳复合光催化材料在波长λ＞420nm的可见光条件下对盐酸土霉素溶液具有较好的去除效果，降解效率达到82%，而对比例1中所制备的单体氮化碳光催化材料的降解效率仅为31%，这说明本发明氮化硼量子点/超薄多孔氮化碳复合光催化材料能够显著提高对抗生素（如盐酸土霉素）的去除效果。

实施例3

考察本发明氮化硼量子点/超薄多孔氮化碳复合光催化材料的可回收利用性，包括以下步骤：

（1）实施例2中的光催化降解反应完成后，收集氮化硼量子点/超薄多孔氮化碳复合光催化材料，用超纯水和乙醇分别清洗3次后烘干，得到再生氮化硼量子点/超薄多孔氮化碳复合光催化材料。

（2）取50mg步骤（1）中得到的再生氮化硼量子点/超薄多孔氮化碳复合光催化材料，加入到50ml、初始浓度为10mg/l的盐酸土霉素溶液中，在暗室中搅拌30min，使氮化硼量子点/超薄多孔氮化碳复合光催化材料达到吸附平衡，在波长λ＞420nm的可见光条件下进行光催化降解反应60min。

（3）重复步骤（1）～（2）中的操作，共循环处理4次。

光催化降解反应过程中，每10min取3ml盐酸土霉素溶液，并利用紫外-可见分光光度计测出溶液中盐酸土霉素的特征峰值，计算降解效率。

图7为本发明实施例3中氮化硼量子点/超薄多孔氮化碳复合光催化材料在波长λ＞420nm的可见光条件下对盐酸土霉素的光催化循环降解效果图。从图7中可知，循环利用5次后，氮化硼量子点/超薄多孔氮化碳复合光催化材料仍然展现出高效的光催化活性，循环利用5次后降解效率仍到达77%。由此说明本发明的氮化硼量子点/超薄多孔氮化碳复合光催化材料具有光催化性能稳定、对抗生素污染物降解效率高的优点，是一种稳定性好、可回收利用性好、催化效率高的新型非金属复合光催化材料，具有较好的实际应用前景。

综上可知，本发明氮化硼量子点/超薄多孔氮化碳复合光催化材料，具有环境友好、稳定性好、分散性好、催化活性高等优点，是一种结构新颖、可见光光催化性能优异的新型非金属复合光催化材料，能更加充分高效的利用太阳能，实现高效、快速地降解环境中的污染物特别是抗生素污染物，这对于环境治理和绿色能源利用具有重要意义。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。