一种具有优异催化性能的复合光催化剂及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种具有优异催化性能的复合光催化剂，所述复合光催化剂具有钴嵌入富氮多孔碳材料与自组装含羧基苝酰亚胺通过π

【技术实现步骤摘要】
一种具有优异催化性能的复合光催化剂及其制备方法与应用


[0001]本专利技术涉及光催化剂材料
，尤其是涉及一种具有优异催化性能的复合光催化剂及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]3,4,9,10
‑
苝酰亚胺(PDI)是由π电子共轭体系的中心刚性平面苝核与两端内酰胺组成的，早期研究中通常作为光敏剂以增强主体材料的光吸收能力，近年来发现可以通过自组装法基于π
‑
π堆积和氢键作用使得苝核的分子轨道间发生有效重叠，由PDI单分子有序组装为具有连续能级结构和更大的π电子共轭体系的PDI超分子纳米纤维(SA
‑
PDI)。作为一类新型有机半导体光催化剂，SA
‑
PDI具有光谱响应范围广和光氧化能力强等优点，因而广泛应用于降解污染物、光解水产氧、杀灭致病菌等领域。同时，通过在PDI分子的亚酰胺位引入羧基基团来调控PDI的超分子自组装过程，能够有效改善SA
‑
PDI的分散性、稳定性和能带结构，从而进一步提升其光催化性能。但是，目前SA
‑
PDI还存在着比表面积小、吸附能力弱、对红外光利用率不高、光生电子
‑
空穴对的复合几率高、难以从反应体系中回收再利用等问题，影响其应用前景。因此，开发出具有高比表面积、强吸附能力、全光谱响应、快速的光生载流子分离能力和磁分离功能的PDI基光催化剂意义重大。
[0003]钴基金属有机框架材料(Co
‑
MOF)是一类由Co
2+
>和2
‑
甲基咪唑有机配体桥连组成的具有与沸石类似的拓扑结构的材料，具有结晶度高、比表面积大、吸附性能强、反应条件温和、合成方法简便等优点，但其存在着稳定性不高、不耐酸等缺点。Co
‑
MOF分子筛中含有大量的活性Co中心，可以转化为多价Co化合物，有机配体咪唑也可以作为理想的碳源和氮源。因此，通过高温煅烧Co
‑
MOF能够获得钴嵌入富氮多孔碳材料(Co
‑
N
‑
C)，其具有较好的稳定性、强磁性、导电性、耐酸性、高比表面积以及三维(3D)多孔结构。如何利用Co
‑
N
‑
C来提高SA
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PDI的性能是本领域研究的重点。

技术实现思路

[0004]针对现有技术存在的上述问题，本专利技术提供了一种具有优异催化性能的复合光催化剂及其制备方法与应用。本专利技术相比于现有技术中的自组装含羧基苝酰亚胺(SA
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PDI)在降解污染物和杀灭致病菌方面表现出更加优异的光催化性能和回收利用能力，所述的制备方法绿色安全、原料易得、工艺简单，具有较高的应用前景和实用价值。
[0005]本专利技术的技术方案如下：
[0006]一种具有优异催化性能的复合光催化剂，所述复合光催化剂具有钴嵌入富氮多孔碳材料与自组装含羧基苝酰亚胺通过π
‑
π相互作用和氢键作用形成的3D/1D异质结构；所述钴嵌入富氮多孔碳材料与自组装含羧基苝酰亚胺的质量比为1:0.1～10。
[0007]所述钴嵌入富氮多孔碳材料的粒径为300～700nm；所述自组装含羧基苝酰亚胺的直径为10～50nm，长度为200～700nm；所述自组装含羧基苝酰亚胺为自组装端位羧酸直链烷烃取代苝酰亚胺；所述钴嵌入富氮多孔碳材料与自组装含羧基苝酰亚胺的质量比为1:1
～9。
[0008]复合光催化剂的粒径为300～700nm。
[0009]一种所述复合光催化剂的制备方法，所述制备方法为将钴嵌入富氮多孔碳材料通过原位自组装法修饰到自组装含羧基苝酰亚胺上，具体步骤为：
[0010](1)制备钴嵌入富氮多孔碳材料
[0011]将钴盐溶液与2
‑
甲基咪唑溶液在20～60℃，50～1500r/min转速下，搅拌混合0.1～10h，静置1～48h后在转速为1000～15000r/min的条件下离心收集沉淀，洗涤、30～80℃干燥1～48h、研磨0.1～5h得到钴基金属有机框架材料，之后再置于氮气气氛中煅烧、冷却、研磨0.1～5h得到钴嵌入富氮多孔碳材料；
[0012]所述钴盐溶液中钴盐与2
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甲基咪唑溶液中2
‑
甲基咪唑的摩尔比为1:0.1～10；
[0013]所述钴盐溶液中钴盐的摩尔浓度为0.01～10mol/L；钴盐为硝酸钴、硫酸钴、氯化钴或乙酸钴；钴盐溶液的溶剂为水、甲醇或乙醇；
[0014]所述2
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甲基咪唑溶液中2
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甲基咪唑的摩尔浓度为0.01～10mol/L；2
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甲基咪唑溶液的溶剂为水、甲醇或乙醇。
[0015]所述煅烧的具体过程为：先以0.1～12℃/min的速度升温至400～900℃，然后再恒温煅烧1～8h。
[0016](2)制备自组装含羧基苝酰亚胺
[0017]将3,4,9,10
‑
苝四羧酸二酐、咪唑和β
‑
氨基丙酸混合后加热至88～150℃，50～1500r/min转速下搅拌回流反应0.5～10h，冷却至室温，再加入乙醇和盐酸，50～1500r/min转速下搅拌反应5～30h，1000～15000r/min转速下离心收集沉淀，洗涤、30～80℃干燥1～48h、研磨0.1～5h得到含羧基苝酰亚胺粗产品；
[0018]然后将含羧基苝酰亚胺粗产品超声分散在水中(功率为200～800W，频率为10～50kHz，时间为0.1～5h)，加入三乙胺，50～1500r/min转速下搅拌0.1～5h，使得含羧基苝酰亚胺完全溶解，形成含羧基苝酰亚胺溶液，再加入强酸在50～1500r/min转速下搅拌反应0.5～10h，得到自组装含羧基苝酰亚胺分散液；
[0019]所述3,4,9,10
‑
四羧酸二酐与β
‑
氨基丙酸的质量比为1:1～5，3,4,9,10
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苝四羧酸二酐与咪唑的质量比为1:1～20；
[0020]所述3,4,9,10
‑
苝四羧酸二酐与乙醇的质量体积比为1:10～150g/mL，3,4,9,10
‑
苝四羧酸二酐与盐酸的质量体积比为1:10～500g/mL，所述盐酸浓度为0.1～10mol/L。
[0021]所述含羧基苝酰亚胺粗产品与水的质量体积比为1:0.1～10mg/mL，含羧基苝酰亚胺粗产品与三乙胺的质量体积比为1:0.1～10mg/μL；
[0022]所述含羧基苝酰亚胺粗产品与强酸的质量体积比为1:0.01～1mg/mL，所述强酸为盐酸、硫酸或硝酸，所述强酸的摩尔浓度为0.01～10mol/L。
[0023](3)原位自组装法制备所述复合光催化剂
[0024]将步骤(1)制得的钴嵌入富氮多孔碳材料加水超声分散(功率为200～800W，频率为1本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有优异催化性能的复合光催化剂，其特征在于，所述复合光催化剂具有钴嵌入富氮多孔碳材料与自组装含羧基苝酰亚胺通过π
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π相互作用和氢键作用形成的3D/1D异质结构；所述钴嵌入富氮多孔碳材料与自组装含羧基苝酰亚胺的质量比为1:0.1～10。2.根据权利要求1所述的复合光催化剂，其特征在于，所述钴嵌入富氮多孔碳材料的粒径为300～700nm；所述自组装含羧基苝酰亚胺的直径为10～50nm，长度为200～700nm；所述自组装含羧基苝酰亚胺为自组装端位羧酸直链烷烃取代苝酰亚胺；所述钴嵌入富氮多孔碳材料与自组装含羧基苝酰亚胺的质量比为1:1～9。3.根据权利要求1所述的复合光催化剂，其特征在于，复合光催化剂的粒径为300～700nm。4.一种权利要求1所述复合光催化剂的制备方法，其特征在于，所述制备方法为将钴嵌入富氮多孔碳材料通过原位自组装法修饰到自组装含羧基苝酰亚胺上，具体步骤为：(1)制备钴嵌入富氮多孔碳材料将钴盐溶液与2
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甲基咪唑溶液搅拌混合，静置后离心收集沉淀，洗涤、干燥、研磨得到钴基金属有机框架材料，之后再置于氮气气氛中煅烧、冷却、研磨得到钴嵌入富氮多孔碳材料；(2)制备自组装含羧基苝酰亚胺将3,4,9,10
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苝四羧酸二酐、咪唑和β
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氨基丙酸混合后加热搅拌回流反应，冷却至室温，再加入乙醇和盐酸进行搅拌反应，离心收集沉淀，洗涤、干燥、研磨得到含羧基苝酰亚胺粗产品；然后将含羧基苝酰亚胺粗产品超声分散在水中，加入三乙胺进行搅拌，使得含羧基苝酰亚胺完全溶解，形成含羧基苝酰亚胺溶液，再加入强酸进行搅拌反应，得到自组装含羧基苝酰亚胺分散液；(3)原位自组装法制备所述复合光催化剂将步骤(1)制得的钴嵌入富氮多孔碳材料加水超声分散得到钴嵌入富氮多孔碳材料分散液，之后加入到步骤(2)制得的自组装含羧基苝酰亚胺分散液中，加热搅拌后超声分散，离心收集沉淀，洗涤、干燥、研磨得到所述复合光催化剂。5.根据权利要求4所述的制备方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐婧，王周平，宁路方，
申请(专利权)人：江南大学，
类型：发明
国别省市：