一种氧化石墨相氮化碳及其制备方法与应用

摘要

本发明公开了石墨相氮化碳（g ‑ C3N4）表面改性的处理方法，合成了氧化石墨相氮化碳。本发明还公开了利用氧化石墨相氮化碳作为重金属离子的吸附剂。本发明解决了石墨相氮化碳难溶于溶剂及与各种材料均匀复合的问题。将石墨相氮化碳经浓硫酸及高锰酸钾氧化处理，再经双氧水还原，得到表面带有羟基、羧基和环氧基等亲水性官能团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现为不规则三维蜂窝孔洞结构，比表面积大大增加，具有很好的亲水性和分散性，有利于石墨相氮化碳与其他材料的相容性，对重金属离子具有很强的吸附能力。

权利要求

1.氧化石墨相氮化碳，其特征是，所述氧化石墨相氮化碳为多层的块状，由纳米棒状堆叠起来的三维孔洞状，氧化石墨相氮化碳表面带有羟基、羧基和环氧基亲水性官能团，接触角25°，所述氧化石墨相氮化碳能完全溶解分散在水溶液中。

2.一种制备权利要求1所述的氧化石墨相氮化碳的制备方法，其特征是，包括以下步骤：（1）在冰水浴条件下，加入浓硫酸，在磁力搅拌器下，加入石墨相氮化碳，溶液呈黄色，然后缓慢加入高锰酸钾，加完后计时，在搅拌下反应2-3小时，溶液呈深棕色，控制反应温度为不超过5 ℃；

（2）步骤（1）得到的深棕色溶液继续在35-40 ℃的水浴下搅拌反应，有大量气泡产生，反应1个小时后，缓慢加入去离子水稀释；

（3）在步骤（2）得到稀释液中加入摩尔浓度为1-2 mol/L的双氧水还原，严格控制还原温度在35-45 ℃，直至溶液呈乳白色；

（4）继续将步骤（3）得到的乳白色溶液趁热过滤，用摩尔浓度为1-2 mol/L的盐酸和去离子水充分洗涤，使溶液呈中性；在30-40 ℃下真空干燥，得到白色粉末状氧化石墨相氮化碳。

3.根据权利要求2所述的氧化石墨相氮化碳的制备方法，其特征是，步骤（1）中所述浓硫酸的用量为每克所述石墨相氮化碳对应23ml浓硫酸。

4.根据权利要求2所述的氧化石墨相氮化碳的制备方法，其特征是，步骤（1）中所述高锰酸钾的用量为每克所述石墨相氮化碳对应3克高锰酸钾。

5.根据权利要求2所述的氧化石墨相氮化碳的制备方法，其特征是，步骤（2）中所述去离子水的用量为每克所述石墨相氮化碳对应100ml去离子水。

6.权利要求1所述的氧化石墨相氮化碳在重金属离子吸附上的应用，其特征在于：将权利要求1所述的氧化石墨相氮化碳配制成浓度为1-3 mg/ml的水溶性溶液，加入摩尔浓度

200-300 mmol/L的重金属离子溶液，在20-30 ℃下反应4-7 h，使溶液充分混合，静置1-3 h，使溶液达到吸附平衡，氧化石墨相氮化碳溶液出现团聚，通过电化学表征及电镜照片观察到氧化石墨相氮化碳吸附了重金属离子。

7.根据权利要求6所述的氧化石墨相氮化碳在重金属离子吸附上的应用，其特征是，所述重金属离子溶液为硫酸铜、硝酸铅或硝酸汞溶液。

说明书

一种氧化石墨相氮化碳及其制备方法与应用

技术领域

[0001] 本发明涉及一种新型的氧化石墨相氮化碳的制备方法，及利用氧化石墨相氮化碳作为重金属离子的吸附剂。

背景技术

[0002] 1989 年Liu 和Cohen以β - Si3N4晶体结构为模型，采用C替代Si进行理论计算发现β - C3N4具有与金刚石相媲美的硬度和更优良的导热性能。在此基础上，1996年Teter和Hemley采用第一性原理对C3N4进行重新计算, 提出C3N4具有5种结构, 即α相、β相、c相(立方相)、p相(准立方相)和g相(石墨相)。其中类石墨相在常温常压下最稳定，具有半导体特性，其他四种结构的氮化碳都是超硬材料，具有良好的化学惰性，其稳定性高于金刚石，能够弥补金刚石稳定性差的不足。

[0003] 在室温下，g - C3N4是以三嗪环（- C3N3）或者3 - s-三嗪环（- C6N7）组成的平面片层结构，环与环之间通过末端的N原子相连，形成无线拓展的π共轭平面，这些π共轭平面通过类石墨的方式堆积，形成了g - C3N4 这种特殊的结构，赋予了g - C3N4优良的耐磨性、化学热稳定性和热稳定性等，在催化剂载体和储能材料具有很高的应用前景。g - C3N4应用光催化分解水制备氢气，降解有机染料和催化有机反应等。虽然g - C3N4应用在新型催化剂上具有稳定、耐高温，具有合适的能带结构等优异性能，但有些缺点如比表面积小、分散性差、光生电子和空穴快速复合导致量子效率较低等问题，大大降低了在催化领域的应用。

[0004] 目前许多研究者采用改性的方法来提高g - C3N4的应用领域。在改性方面，主要通过引入有序介孔结构，掺杂非金属元素、沉积贵金属，与其他半导体复合等方法提高g - C3N4的光催化活性。通过增大g - C3N4的比表面积来增加活性位点，提高催化效率。

[0005] 在g - C3N4的应用过程中存在一个问题，由于g - C3N4的化学稳定性高，各片层存在很强的作用力，表面呈惰性状态，从而导致片层极易堆叠在一起很难分散开来，很难溶解于溶剂中，更难与其他无机材料或有机材料均匀地复合。这给g - C3N4的进一步研究和应用造成了极大的困难，因而改善g - C3N4在溶剂的分散性及其与各种材料均匀复合成为目前最需要解决的问题。氧化石墨相氮化碳在重金属污染处理方面还未见报道。

发明内容

[0006] 本发明提供了一种氧化石墨相氮化碳及其制备方法与应用，本发明首次提出对g - C3N4的分散性进行化学改性，大大提高了在水溶液中的分散性，解决了一直以来在水溶液中难分散的难题；本发明合成的氧化石墨相氮化碳表面含有大量的亲水性基团，这些基团对重金属离子具有很强的吸附能力，并可进一步制备成高灵敏度的新型电极材料，大大拓展了g - C3N4的应用范围。

[0007] 本发明的第一个目的是通过以下技术方案实现的，氧化石墨相氮化碳，为多层的块状，由纳米棒状堆叠起来的三维孔洞状，氧化石墨相氮化碳表面带有羟基、羧基和环氧基亲水性官能团，接触角25°，所述氧化石墨相氮化碳能完全溶解分散在水溶液中。

[0008] 本发明的第二个目的是通过以下技术方案实现的，一种石墨相氮化碳的表面改性的制备方法，包括以下步骤：

[0009] （1）在冰水浴条件下，加入浓硫酸，在磁力搅拌器下，加入石墨相氮化碳，溶液呈黄色，然后缓慢加入高锰酸钾，加完后计时，在搅拌下反应2-3小时，溶液呈成深棕色，控制反应温度为不超过5 ℃；

[0010] （2）步骤（1）得到的深棕色溶液继续在35-40 ℃的水浴下搅拌反应，会有大量气泡产生，反应1小时后，缓慢加入去离子水稀释；

[0011] （3）在步骤（2）得到稀释液中加入摩尔浓度为1-2mol/L的双氧水还原，严格控制还原温度在35-45 ℃，直至溶液呈乳白色；

[0012] （4）继续将步骤（3）得到的乳白色溶液趁热过滤，用摩尔浓度为1-2mol/L的盐酸和去离子水充分洗涤，使溶液呈中性；在30 ℃下真空干燥，得到白色粉末状氧化石墨相氮化碳。

[0013] 优选地，步骤（1）中所述浓硫酸的用量为每克所述石墨相氮化碳对应23ml浓硫酸。

[0014] 优选地，步骤（1）中所述高锰酸钾的用量为每克所述石墨相氮化碳对应3克高锰酸钾。

[0015] 优选地，步骤（2）中所述去离子水的用量为每克所述石墨相氮化碳对应100ml去离子水。

[0016] 本发明的第三个目的是通过以下技术方案实现的，一种上述方法制备的氧化石墨相氮化碳在重金属离子吸附上的应用：将上述方法制得的氧化石墨相氮化碳配制成浓度为1-3 mg/ml的水溶性溶液，加入200-300 mmol/L的重金属离子溶液，在20-30 ℃下反应4-7 h，使溶液充分混合，静置1-3 h，使溶液达到吸附平衡，氧化石墨相氮化碳溶液出现团聚，通过电化学表征及电镜照片观察到氧化石墨相氮化碳已吸附了重金属离子。

[0017] 优选地，所述重金属离子溶液为硫酸铜、硝酸铅或硝酸汞溶液。

[0018] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

[0019] 第一，本发明的石墨相氮化碳表面改性处理的方法制备简单，所用原料均为常用的无毒化学物质，制备的氧化石墨相氮化碳具有优异的物理化学性能，可扩大石墨相氮化碳的应用范围。本发明制备出一种新型材料氧化石墨相氮化碳，将石墨相氮化碳经浓硫酸及高锰酸钾氧化处理，再经双氧水还原，得到表面带有羟基、羧基和环氧基等亲水性官能团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现为不规则三维蜂窝孔洞结构，比表面积大大增加，具有很好的亲水性和分散性，有利于石墨相氮化碳与其他材料的相容性，对重金属离子具有很强的吸附能力。该方法制备简单，无毒。

[0020] 第二，本发明制得的氧化石墨相氮化碳带有羟基、羧基环氧基等亲水性官能团，具有良好的水溶性，能稳定分散在水溶液中不产生沉淀。

[0021] 第三，本发明制得的氧化石墨相氮化碳比表面积大，对重金属离子的吸附量比石墨相氮化碳及其他材料要高，可以通过过滤或者沉降去除重金属离子，可以重复利用，在重金属吸附剂上具有广阔的应用前景。

[0022] 第四，本发明制得的氧化石墨相氮化碳性能稳定、再生重复利用，可用于工业污水和生活污水中重金属离子的吸附。

[0023] 第五，本发明第一次提出对g - C3N4进行表面改性，在g - C3N4的边缘处及缺陷处引入了大量的亲水性基团，改善g - C3N4在溶液中的分散性，赋予材料新的物理、化学特性，改善g - C3N4与其他材料的相容性。

附图说明

[0024] 图1 a是本发明制得的石墨相氮化碳的扫描电镜图；

[0025] 图1b是本发明制得的氧化石墨相氮化碳的扫描电镜图；

[0026] 图2是本发明制得的氧化石墨相氮化碳吸附重金属离子的扫描电镜图；

[0027] 图3 a是本发明制得的石墨相氮化碳的透射电镜图；

[0028] 图3b是本发明制得的氧化石墨相氮化碳透射电镜图；

[0029] 图4 是本发明制得的氧化石墨烯的高分辨透射电镜图及元素分析图；

[0030] 图5 石墨相氮化碳和氧化石墨相氮化碳的红外光谱图；

[0031] 图6 a是本发明制得的石墨相氮化碳的视频接触角分析图；

[0032] 图6 b是本发明制得的氧化石墨相氮化碳的视频接触角分析图；

[0033] 图7 是本发明制得的氧化石墨相氮化碳、石墨相氮化碳电子能谱对比图(a)及氧化石墨相氮化碳的C1s (b)、N1s (c)、O1s (d)元素的电子能谱图；

[0034] 图8是本发明制得的氧化石墨相氮化碳吸附重金属离子的电化学表征图。

具体实施方式

[0035] 氧化石墨相氮化碳，为多层的块状，由纳米棒状堆叠起来的三维孔洞状，氧化石墨相氮化碳表面带有羟基、羧基和环氧基亲水性官能团，接触角25°，所述氧化石墨相氮化碳能完全溶解分散在水溶液中。

[0036] 一种石墨相氮化碳的表面改性的制备方法，包括以下步骤：

[0037] （1）在冰水浴条件下，加入浓硫酸，在磁力搅拌器下，加入石墨相氮化碳，溶液呈黄色，然后缓慢加入高锰酸钾，加完后计时，在搅拌下反应2-3小时，溶液呈成深棕色，控制反应温度为不超过5 ℃；

[0038] （2）步骤（1）得到的深棕色溶液继续在35-40 ℃的水浴下搅拌反应，会有大量气泡产生，反应1小时后，缓慢加入去离子水稀释；

[0039] （3）在步骤（2）得到稀释液中加入摩尔浓度为1-2mol/L的双氧水还原，严格控制还原温度在35-45 ℃，直至溶液呈乳白色；

[0040] （4）继续将步骤（3）得到的乳白色溶液趁热过滤，用摩尔浓度为1-2mol/L的盐酸和去离子水充分洗涤，使溶液呈中性；在30 ℃下真空干燥，得到白色粉末状氧化石墨相氮化碳。

[0041] 步骤（1）中所述浓硫酸的用量为每克所述石墨相氮化碳对应23ml浓硫酸。

[0042] 步骤（1）中所述高锰酸钾的用量为每克所述石墨相氮化碳对应3克高锰酸钾。

[0043] 步骤（2）中所述去离子水的用量为每克所述石墨相氮化碳对应100ml去离子水。

[0044] 上述方法制备的氧化石墨相氮化碳在重金属离子吸附上的应用：将上述方法制得的氧化石墨相氮化碳配制成浓度为1-3 mg/ml的水溶性溶液，加入200-300 mmol/L的重金属离子溶液，在20-30 ℃下反应4-7 h，使溶液充分混合，静置1-3 h，使溶液达到吸附平衡，氧化石墨相氮化碳溶液出现团聚，通过电化学表征及电镜照片观察到氧化石墨相氮化碳已吸附了重金属离子。

[0045] 重金属离子溶液可以为硫酸铜、硝酸铅或硝酸汞溶液。

[0046] 实施例1

[0047] 一、氧化石墨相氮化碳的合成步骤：

[0048] (1)、称取一定量的三聚氰胺置于管式炉中，以5 ℃/min的升温速度在550 ℃煅烧2 h，研磨得到粉末状淡黄色石墨结构的氮化碳（g - C3N4）；

[0049] (2)、在冰水浴条件下，加入46 ml浓硫酸，在磁力搅拌器下，加入2 g石墨相氮化碳。

[0050] (3)、在步骤二的烧杯中缓慢加入6 g KMnO4，加完后计时，在搅拌下反应3小时，溶液呈成深棕色。控制温度不超过5 ℃；

[0051] (4)、将步骤三的烧杯转移至温度为35 ℃的水浴中，继续磁力搅拌，缓慢加入200 ml去离子水稀释，控制温度不超过40 ℃，反应1 h；

[0052]  (5)、向步骤四的烧杯中缓慢加入5 %的双氧水还原，溶液呈乳白色。趁热过滤。用5 %的HCl和去离子水充分洗涤，使溶液呈中性，最后在30 ℃下真空干燥箱中烘干得到白色粉末氧化石墨相氮化碳。

[0053] 图1是本发明制备的氧化石墨相氮化碳的扫描电镜图；从图中清晰得到石墨相氮化碳呈表面光滑的块状，层状堆叠致密。经改性后得到的氧化石墨相氮化碳是三维蜂窝状孔洞结构。

[0054] 图2是本发明制得的氧化石墨相氮化碳吸附重金属离子的扫描电镜图；从图中清晰得到重金属离子成功被吸附在氧化石墨相氮化碳表面上。

[0055] 图3是本发明制得的氧化石墨相氮化碳的透射电镜图；从图中清晰得到石墨相氮化碳是多层的块状。改性后得到的氧化石墨相氮化碳结构呈三维孔洞结构。通过BET吸附实验得到，氧化石墨相氮化碳的比表面积（163m2/g）比石墨相氮化碳（g - C3N4）的比表面积（4 m2/g）扩大了40倍左右，可以说明氧化石墨相氮化碳是多孔结构从而比表面积增大，可以提高石墨相氮化碳的活性位点。

[0056] 图4是本发明制得的氧化石墨相氮化碳的高分辨率透射电镜图及元素分析图。通过高分辨率透射电镜图中可以得到氧化石墨相氮化碳结构是由纳米棒状堆叠起来的三维孔洞状，纳米棒的宽度约30 nm，长度约为146 nm。通过表面元素分析得到，氧化石墨相氮化碳含有碳、氮及部分氧元素。这说明在合成过程中成功地引入了一些羟基、羧基和环氧基等含氧亲水性官能团。

[0057] 图5是本发明制得的氧化石墨相氮化碳和石墨相氮化碳的红外光谱图，从图中可以得到石墨相氮化碳在高频区有两个吸收带，分别位于3278 cm-1和3160 cm-1，分别为-NH2-1 -1基团的反对称伸缩振动和对称伸缩振动的特征吸收，位于1239 cm 和1639 cm 吸收附近分别为C - N和C = N的振动峰，在805 cm-1为三氮苯环的振动吸收峰。改性后得到的氧化石墨相氮化碳有明显三个特征峰，3445 cm-1为羟基峰，1460 cm-1为羧基振动峰，在低频区760 cm-1为环氧基的吸收振动峰，这说明在改性的过程中成功引入了羟基、羧基、环氧基等亲水性官能团。

[0058] 使用微型洗液管吸取一定量二次蒸馏水，滴在预处理的薄膜上，通过接触角测试仪测试接触角，得到结果如图5所示。由图6a可知，类石墨相氮化碳的接触角为85°，而通过改性后得到氧化类石墨烯氮化碳后接触角降低了60°左右，接触角在25°左右，如图6b所示。由此得出经过氧化改性后的氮化碳膜亲水效果好，这是因为在改性过程中引入了大量的羟基，羧基和环氧基等亲水性基团，从而大大提高了氧化石墨相氮化碳的亲水性。

[0059] 图7 是本发明制得的氧化石墨相氮化碳的电子能谱分析图。石墨相氮化碳只含碳氮两种元素，改性后得到氧化石墨相氮化碳有碳、氮和氧三种元素，这说明在改性过程中成功引入了含氧基团的羟基、羧基和环氧基等亲水性基团。为了确认氧化g - C3N4的化学组成及各个元素的化学状态，对其进行XPS表征如图7( b )所示。C1s谱在284.91 eV和288.75 eV处有两个峰，在288.75 eV处为C - N - C键和C - OH键，在284.91 eV处为C - C键。XPS谱的N1s峰如图7(c)所示，该峰拟合为389.97 eV、399.98 eV和400.86 eV 3个峰，其中389.97 eV对应于C - N键，399.49 eV的峰对应于亚胺(imine)，400.86 eV为氨基(amine)。
XPS的O1s峰如图7(d)所示，该峰拟合为532.72 eV和531.78 eV 2个峰，在531.78 eV处对应于C = O键，第二个峰532.72 eV对应于O - H键。

[0060] 图8是本发明制得的氧化石墨相氮化碳吸附重金属离子的电化学表征图；从图中我们清晰可以看到，氧化石墨相氮化碳对铜离子具有很大的吸附量，对铅离子和汞离子都具有一定的吸附量，与其它碳材料吸附量相比是最大的。

[0061] 氧化石墨相氮化碳的重复利用：将上述氧化石墨相氮化碳与重金属离子的混合液进行离心分离，在5000 r/min下离心分离30 min，再用去离子水洗涤10次。将得到的氧化石墨相氮化碳用去离子水分散，可以得到乳白色氧化石墨相氮化碳溶液，可进行重复利用。

[0062] 本发明所制得的氧化石墨相氮化碳的分散性性能测试，具体步骤如下：

[0063] 取相同质量的g - C3N4和氧化石墨相氮化碳溶解在相同一定量二次蒸馏水中，并超声30 min后取出，静置5 h后观察。可以得出石墨相氮化碳水溶液呈现分层现象，而改性后的氧化石墨相氮化碳能完全溶解分散在水溶液中。这说明石墨相氮化碳存在强的分子间作用力在水溶液中容易团聚，分散性差，而改性后的氧化石墨相氮化碳引入了大量的羟基、羧基和环氧基等亲水性官能团，解决了石墨相氮化碳再水溶液中分散性差的难题，进一步拓展了石墨相氮化碳的应用领域，具有广阔的前景。