一种氰基碳量子点/氮化碳纳米片及其制备方法和应用

本发明涉及光催化材料制备领域，尤其是涉及一种氰基碳量子点/氮化碳纳米片及其制备方法和应用。

背景技术：

1、双氧水是一种环境友好型氧化剂，广泛应用于有机合成、医疗消毒和环境整治等领域。此外，由于其液体形式相对容易储存和运输，一直被认为是氢气的替代能源载体。目前，工业上95％以上双氧水是通过蒽醌法生产的，不仅使用昂贵的钯催化剂，还能源消耗高，且有毒排放严重造成环境污染。因此，需要设计一种绿色且高效的方法来产双氧水。

2、光催化是实现能源和环境可持续最有前途的方法之一，其可利用太阳能光催化合成双氧水极具有前景。从经济角度出发，依赖昂贵的金属钯催化剂是不可持续的。而氮化碳(氮化碳)作为非金属光催化材料，具有低成本的先天优势，再加上其具有高度物化稳定性，是优选的光催化材料。但其自身存在宽带隙、可见光吸收能力极差以及比表面积小等缺点，限制了其进一步应用。

技术实现思路

1、针对现有氮化碳光催化剂的限制应用问题，本发明的目的在于提供一种氰基碳量子点/氮化碳纳米片及其制备方法和应用，本发明通过将各种氨基萘和含氰基小分子前驱体水热制备氰基碳量子点，将三聚氰胺与氰基碳量子点混合均匀后再次进行水热反应，过滤、洗涤、干燥后进行两次升温程序在氮气氛围下煅烧得到二维氰基碳量子点/氮化碳纳米片。在合成过程中，氰基碳量子点可以通过吸电子基团诱导合成氰基碳量子点/氮化碳纳米片的形成，调节纳米片的厚度，增强可见光吸收能力、提高比表面积以及相对电子结构(带隙、导电带和电荷分离率)，为光催化产双氧水提供更多的催化活性位点。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、一种氰基碳量子点/氮化碳纳米片的制备方法，具体步骤如下：

4、s1、制备氰基碳量子点：取氨基萘和含氰基小分子前驱体溶解于去离子水中，水热反应后得到氰基碳量子点溶液；

5、s2、将步骤s1中得到的氰基碳量子点溶液溶于去离子水中，再加入三聚氰胺，继续进行水热反应，反应后烘干得到白色固体；

6、s3、将步骤s2中得到的白色固体进行高温煅烧，得到氰基碳量子点/氮化碳纳米片。

7、进一步地，步骤s1中，所述氨基萘选自1,5-二氨基萘，2,3-二氨基萘，1,8-二氨基萘或2,7-二氨基萘中的至少一种。

8、进一步地，步骤s1中，所述氨基萘的浓度为10～50mg/ml。

9、进一步地，步骤s1中，所述含氰基小分子选自二氰二胺、二氰胺钠，1,3-二氰基苯，1,4-二氰基苯，1,2-二氰基苯或二氨基马来腈中至少一种。

10、进一步地，步骤s1中，所述含氰基小分子前驱体的浓度为10～50mg/ml。

11、进一步地，步骤s1中，所述氨基萘和含氰基小分子前驱体的质量比为1:(0.5～1.5)，优选为1：1。

12、进一步地，步骤s1中，所述水热反应温度为140-220℃，时间为5-14h。

13、进一步地，步骤s1中，取氨基萘和含氰基小分子前驱体溶解于去离子水中，进行水热反应，反应结束冷却至室温后，过滤去除未反应的大颗粒物质后得到氰基碳量子点溶液。

14、进一步地，步骤s2中，步骤s1中得到的氰基碳量子点溶液和去离子水的体积比为1：(100～5000)。

15、进一步地，步骤s2中，所述三聚氰胺在去离子水中的浓度为20～60mg/ml。

16、进一步地，步骤s2中，所述水热反应温度为140-220℃，时间为5-14h。

17、进一步地，步骤s2中，将步骤s1中得到的氰基碳量子点溶液溶于去离子水中，再加入三聚氰胺，继续进行水热反应，反应结束冷却至室温后，分别使用去离子水和乙醇离心洗涤3次，烘干后得到白色固体。

18、进一步地，步骤s3中，在n2氛围下，将步骤s2中得到的白色固体置于350-750℃中煅烧1-3h，再二阶程序升温至450-800℃，煅烧2-6h，研磨得到氰基碳量子点/氮化碳纳米片。

19、上述更进一步地，所述高温煅烧升温速率为5-8℃/min。

20、本发明还提供一种氰基碳量子点/氮化碳纳米片，所述氰基碳量子点/氮化碳纳米片由上述制备方法制备得到，所述氰基碳量子点分散于氮化碳纳米片中，所述氰基碳量子点/氮化碳纳米片的厚度8～12nm。

21、此外，本发明还提供一种氰基碳量子点/氮化碳纳米片的应用，将上述氰基碳量子点/氮化碳纳米片应用于光催化产双氧水中。

22、本发明的原理如下：

23、氰基碳量子点具有优异的可见光吸收能力、丰富的表面催化活性位点、且具有带隙可调等优点。最重要的是，氰基碳量子点可诱导合成二维氰基碳量子点/氮化碳纳米片，这极大地解决了合成二维氮化碳难的问题。通过简单的制备工艺，氰基碳量子点可以通过吸电子基团诱导氰基碳量子点/氮化碳纳米片的形成，调节纳米片的厚度、比表面积以及相对电子结构(带隙、导电带和电荷分离率)，为光催化产双氧水提供更多的催化活性位点。

24、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

25、1)相比于块状氮化碳，氰基碳量子诱导合成出厚度更薄的氰基碳量子点/氮化碳纳米片，既增加了光催化活性位点，提高了比表面积，还扩宽了可见光吸收范围。

26、2)二维氰基碳量子点/氮化碳纳米片的光生电子-空穴对能有效分离，具有更小的电荷转移阻抗，更有利于电荷的转移，从而达到抑制电子-空穴复合的情况发生，从而提升了产双氧水的性能，h2o2产量达1.48mmol/l。

27、3)本发明公开的制备工艺旨在对环境友好，成本低廉。

技术特征：

1.一种氰基碳量子点/氮化碳纳米片的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

2.根据权利要求1所述的一种氰基碳量子点/氮化碳纳米片的制备方法，其特征在于，步骤s1中，所述氨基萘选自1,5-二氨基萘，2,3-二氨基萘，1,8-二氨基萘或2,7-二氨基萘中的至少一种；

3.根据权利要求1所述的一种氰基碳量子点/氮化碳纳米片的制备方法，其特征在于，步骤s1中，所述氨基萘的浓度为10～50mg/ml；

4.根据权利要求3所述的一种氰基碳量子点/氮化碳纳米片的制备方法，其特征在于，所述氨基萘和含氰基小分子前驱体的质量比为1:(0.5～1.5)。

5.根据权利要求1所述的一种氰基碳量子点/氮化碳纳米片的制备方法，其特征在于，步骤s1中，所述水热反应温度为140-220℃，时间为5-14h；

6.根据权利要求1所述的一种氰基碳量子点/氮化碳纳米片的制备方法，其特征在于，步骤s2中，步骤s1中得到的氰基碳量子点溶液和去离子水的体积比为1：(100～5000)；

7.根据权利要求1所述的一种氰基碳量子点/氮化碳纳米片的制备方法，其特征在于，步骤s2中，将步骤s1中得到的氰基碳量子点溶液溶于去离子水中，再加入三聚氰胺，继续进行水热反应，反应结束冷却至室温后，分别使用去离子水和乙醇离心洗涤3次，烘干后得到白色固体。

8.根据权利要求1所述的一种氰基碳量子点/氮化碳纳米片的制备方法，其特征在于，步骤s3中，在n2氛围下，将步骤s2中得到的白色固体置于350-750℃中煅烧1-3h，再二阶程序升温至450-800℃，煅烧2-6h，研磨得到氰基碳量子点/氮化碳纳米片；

9.一种氰基碳量子点/氮化碳纳米片，其特征在于，所述氰基碳量子点/氮化碳纳米片由权利要求1-8中任一所述的制备方法制备得到，所述氰基碳量子点分散于氮化碳纳米片中，所述氰基碳量子点/氮化碳纳米片的厚度8～12nm。

10.一种氰基碳量子点/氮化碳纳米片的应用，其特征在于，将权利要求9所述的氰基碳量子点/氮化碳纳米片应用于光催化产双氧水中。

技术总结
本发明涉及一种氰基碳量子点/氮化碳纳米片及其制备方法和应用，制备方法如下：将各种氨基萘和含氰基小分子前驱体水热制备氰基碳量子点，将三聚氰胺与氰基碳量子点混合均匀后再次进行水热反应，过滤、洗涤、干燥后进行两次升温程序在氮气氛围下煅烧得到二维氰基碳量子点/氮化碳纳米片。在合成过程中，氰基碳量子点可以通过吸电子基团诱导合成氰基碳量子点/氮化碳纳米片的形成，调节纳米片的厚度，增强可见光吸收能力、提高比表面积以及相对电子结构(带隙、导电带和电荷分离率)，为光催化产双氧水提供更多的催化活性位点。

技术研发人员：王亮,郭华章,周莉,侯卫东
受保护的技术使用者：上海大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15