CN108187722B - 一种氮掺杂碳量子点/氧化亚铜复合光催化剂的制备方法 - Google Patents

一种氮掺杂碳量子点/氧化亚铜复合光催化剂的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种氮掺杂碳量子点/氧化亚铜复合光催化剂的制备方法,该方法以聚赖氨酸为原料,采用水热法制备氮掺杂碳量子点,然后在非水解溶胶‑凝胶技术制备纳米Cu2O过程中,添加氮掺杂碳量子点,实现两者原位复合。

Description

一种氮掺杂碳量子点/氧化亚铜复合光催化剂的制备方法
技术领域
本发明属新材料技术领域,特别是涉及一种氮掺杂碳量子点/氧化亚铜复合光催化剂的制备方法。
背景技术
半导体异相光催化技术因其能够完全催化降解污染空气和废水中的各种有机物和无机物,而被认为是一种极具前途的环境污染深度净化技术。Cu2O是一种典型的P型窄带隙半导体功能材料,禁带宽度2.0-2.2eV,比TiO2的3.2eV低得多,完全可在太阳光的辐射下引发光催化反应,且无毒,吸附能力强,光生载流子迁移路径短。自1998年首次报道用Cu2O作光催化剂可在阳光下将水分解成氢气和氧气以来,Cu2O的光催化性能成为国内外研究的热点。
碳量子点是一种具有良好分散性的球形荧光碳纳米材料,水溶性好、低毒,在广泛的可见光和近红外光范围内,碳量子点通过单光子和双光子吸收可实现强的荧光发射转化,并可作为电子给体或受体产生光致电荷转移。近年来,将碳量子点与光催化剂复合,利用碳量子点优异的物理化学性能改变光催化剂光催化性能,在光催化领域表现出了很好的应用前景。然而,将氮掺杂碳量子点与Cu2O复合制备光催化剂至今鲜有报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种氮掺杂碳量子点/氧化亚铜复合光催化剂的制备方法。
为实现上述目的,本发明提供的技术方案是:首先以聚赖氨酸为原料,采用水热法制备氮掺杂碳量子点,然后在非水解溶胶-凝胶技术制备纳米Cu2O过程中,添加氮掺杂碳量子点,实现两者的原位复合。
上述制备方法的具体步骤为:
(1)准确称取1.0-3.0g聚赖氨酸,加入25mL去离子水中,待其完全溶解后,将混合液转入水热反应釜中,密封后,将水热反应釜放置到温度160-200℃马弗炉中,反应2-5h,反应结束后,自然冷却至室温,将反应液以10000r/min的速率离心30min,除去大粒子后,收集上层液体,在50℃旋转蒸发仪中浓缩,然后以15000r/min的速率离心15min,收集沉淀,去离子水洗涤3-5次后,冷冻干燥,获得氮掺杂碳量子点;
(2)将2g Cu(CH3COO)2·H2O完全溶解在40-80mL二缩三乙二醇溶液中,然后加入1.0-3.0g聚赖氨酸,完全溶解后,加入一定量的氮掺杂碳量子点超声分散30min,通N2保护,搅拌下加热至160-200℃,保温0.5-2h后,降至室温,产物经10000r/min的速率高速离心,沉淀经去离子水洗涤3-5次后,60-80℃真空干燥,即得氮掺杂碳量子点/氧化亚铜复合光催化剂。
步骤(2)所述的氮掺杂碳量子点占Cu(CH3COO)2·H2O质量的0.35%-1.75%。
由上述技术方案可知:本发明以生物防腐剂聚赖氨酸为原料,制备氮掺杂碳量子点;然后以二缩三乙二醇为溶剂,采用非水解溶胶-凝胶技术制备Cu2O,在纳米Cu2O形成过程中,利用聚赖氨酸及二缩三乙二醇的还原性将Cu2+还原为Cu+
本发明的有益效果在于:
(1)以生物防腐剂聚赖氨酸为原料,制备氮掺杂碳量子点,绿色环保。
(2)在非水解溶胶-凝胶技术制备Cu2O过程中,以聚赖氨酸和二缩三乙二醇为还原剂,实现Cu2+还原。
附图说明
图1实施例1、比较例1’所得样品XRD图
图2实施例1、比较例1’所得样品红外光谱图
图3实施例1所得样品SEM图
具体实施方式
下面结合具体实施例,进一步阐述本发明。应理解,这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实施例1
(1)准确称取1.0g聚赖氨酸,加入25mL去离子水中,待其完全溶解后,将混合液转入水热反应釜中,密封后,将水热反应釜放置到温度160℃马弗炉中,反应5h,反应结束,自然冷却至室温,将反应液以10000r/min的速率离心30min,除去大粒子后,收集上层液体,在50℃旋转蒸发仪中浓缩,然后在15000r/min的速率离心15min,收集沉淀,去离子水洗涤3次后,冷冻干燥,获得氮掺杂碳量子点。
(2)将2g Cu(CH3COO)2·H2O完全溶解在40mL二缩三乙二醇溶液中,然后加入1.0g聚赖氨酸,完全溶解后,加入0.007g氮掺杂碳量子点超声分散30min,通N2保护,搅拌下加热至160℃,保温2h后,降至室温,产物经10000r/min的速率高速离心,沉淀经去离子水洗涤3次后,60℃真空干燥,即得氮掺杂碳量子点/氧化亚铜复合光催化剂。
比较例1’
将2g Cu(CH3COO)2·H2O完全溶解在40mL二缩三乙二醇溶液中,然后加入1.0g聚赖氨酸,完全溶解后,通N2保护,搅拌下加热至160℃,保温2h后,降至室温,产物经10000r/min的速率高速离心,沉淀经去离子水洗涤3次后,60℃真空干燥,即得氧化亚铜光催化剂。。
实施例2
(1)准确称取3.0g聚赖氨酸,加入25mL去离子水中,待其完全溶解后,将混合液转入水热反应釜中,密封后,将水热反应釜放置到温度200℃马弗炉中,反应2h,反应结束,自然冷却至室温,将反应液以10000r/min的速率离心30min,除去大粒子后,收集上层液体,在50℃旋转蒸发仪中浓缩,然后以15000r/min的速率离心15min,收集沉淀,去离子水洗涤5次后,冷冻干燥,获得氮掺杂碳量子点。
(2)将2g Cu(CH3COO)2·H2O完全溶解在80mL二缩三乙二醇溶液中,然后加入3.0g聚赖氨酸,完全溶解后,加入0.035g氮掺杂碳量子点超声分散30min,通N2保护,搅拌下加热至200℃,保温0.5h后,降至室温,产物经10000r/min的速率高速离心,沉淀经去离子水洗涤5次后,80℃真空干燥,即得氮掺杂碳量子点/氧化亚铜复合光催化剂。
比较例2
(1)准确称取3.0g聚赖氨酸,加入25mL去离子水中,待其完全溶解后,将混合液转入水热反应釜中,密封后,将水热反应釜放置到温度200℃马弗炉中,反应2h,反应结束,自然冷却至室温,将反应液以10000r/min的速率离心30min,除去大粒子后,收集上层液体,在50℃旋转蒸发仪中浓缩,然后以15000r/min的速率离心15min,收集沉淀,去离子水洗涤5次后,冷冻干燥,获得氮掺杂碳量子点。
(2)将2g Cu(CH3COO)2·H2O完全溶解在80mL二缩三乙二醇溶液中,然后加入0.035g氮掺杂碳量子点超声分散30min,通N2保护,搅拌下加热至200℃,保温0.5h后,降至室温,产物经10000r/min的速率高速离心,沉淀经去离子水洗涤5次后,80℃真空干燥,即得氮掺杂碳量子点/氧化亚铜复合光催化剂。
实施例3
(1)准确称取2.0g聚赖氨酸,加入25mL去离子水中,待其完全溶解后,将混合液转入水热反应釜中,密封后,将水热反应釜放置到温度180℃马弗炉中,反应3h,反应结束,自然冷却至室温,将反应液以10000r/min的速率离心30min,除去大粒子后,收集上层液体,在50℃旋转蒸发仪中浓缩,然后在15000r/min的速率离心15min,收集沉淀,去离子水洗涤4次后,冷冻干燥,获得氮掺杂碳量子点。
(2)将2g Cu(CH3COO)2·H2O完全溶解在60mL二缩三乙二醇溶液中,然后加入2.0g聚赖氨酸,完全溶解后,加入0.014g氮掺杂碳量子点超声分散30min,通N2保护,搅拌下加热至180℃,保温1h后,降至室温,产物经10000r/min的速率高速离心,沉淀经去离子水洗涤4次后,70℃真空干燥,即得氮掺杂碳量子点/氧化亚铜复合光催化剂。
比较例3
(1)准确称取2.0g聚赖氨酸,加入25mL去离子水中,待其完全溶解后,将混合液转入水热反应釜中,密封后,将水热反应釜放置到温度180℃马弗炉中,反应3h,反应结束,自然冷却至室温,将反应液以10000r/min的速率离心30min,除去大粒子后,收集上层液体,在50℃旋转蒸发仪中浓缩,然后在15000r/min的速率离心15min,收集沉淀,去离子水洗涤4次后,冷冻干燥,获得氮掺杂碳量子点。
(2)将2g Cu(CH3COO)2·H2O完全溶解在60mL二缩三乙二醇溶液中,然后加入0.014g氮掺杂碳量子点超声分散30min,通N2保护,搅拌下加热至180℃,保温1h后,降至室温,产物经10000r/min的速率高速离心,沉淀经去离子水洗涤4次后,70℃真空干燥,即得氮掺杂碳量子点/氧化亚铜复合光催化剂。
实施例4
(1)准确称取2.5g聚赖氨酸,加入25mL去离子水中,待其完全溶解后,将混合液转入水热反应釜中,密封后,将水热反应釜放置到温度170℃马弗炉中,反应4h,反应结束,自然冷却至室温,将反应液以10000r/min的速率离心30min,除去大粒子后,收集上层液体,在50℃旋转蒸发仪中浓缩,然后以15000r/min的速率离心15min,收集沉淀,去离子水洗涤3次后,冷冻干燥,获得氮掺杂碳量子点。
(2)将2g Cu(CH3COO)H2O完全溶解在70mL二缩三乙二醇溶液中,然后加入2.5g聚赖氨酸,完全溶解后,加入0.021g氮掺杂碳量子点超声分散30min,通N2保护,搅拌下加热至170℃,保温1.5h后,降至室温,产物经10000r/min的速率高速离心,沉淀经去离子水洗涤3次后,75℃真空干燥,即得氮掺杂碳量子点/氧化亚铜复合光催化剂。
比较例4
(1)准确称取2.5g聚赖氨酸,加入25mL去离子水中,待其完全溶解后,将混合液转入水热反应釜中,密封后,将水热反应釜放置到温度170℃马弗炉中,反应4h,反应结束,自然冷却至室温,将反应液以10000r/min的速率离心30min,除去大粒子后,收集上层液体,在50℃旋转蒸发仪中浓缩,然后在15000r/min的速率离心15min,收集沉淀,去离子水洗涤3次后,冷冻干燥,获得氮掺杂碳量子点。
(2)将2g Cu(CH3COO)2·H2O完全溶解在70mL二缩三乙二醇溶液中,然后加入0.021g氮掺杂碳量子点超声分散30min,通N2保护,搅拌下加热至170℃,保温1.5h后,降至室温,产物经10000r/min的速率高速离心,沉淀经去离子水洗涤3次后,75℃真空干燥,即得氮掺杂碳量子点/氧化亚铜复合光催化剂。
实施例5
光催化性能评价:分别称取50mg光催化剂加入到80mL浓度为50mg/L的染料(亚甲基蓝、弱酸性艳红B)溶液中,将溶液置于暗处搅拌2h,待吸附平衡后,UV光(功率15W,波长365nm)照射,光源距离液面距离为10cm,光照结束后,取5mL反应悬浊液,高速(10000r/min)离心分离后取上层清液,用722s可见分光光度计在λmax下测定溶液的吸光度。按下式计算降解率。
Figure BDA0001548727680000051
式中:η为降解率,C0为光降解前,染料溶液的浓度,Ct为光照t时刻后,染料溶液的浓度。
表1样品对染料的光降解性能
Figure BDA0001548727680000052
从上表实验数据可看出,实施例所得光催化材料光催化性能明显优于比较例,比较例2-4中,由于未添加聚赖氨酸,可能导致Cu2+不能完全还原为Cu+,从而导致光催化剂性能的降低。比较例1’所得氧化亚铜光催化性能明显低于氮掺杂碳量子点/氧化亚铜复合光催化剂。

Claims (2)

1.一种氮掺杂碳量子点/氧化亚铜复合光催化剂的制备方法,其特征在于:具体步骤包括:
(1)准确称取1.0-3.0g聚赖氨酸,加入25mL去离子水中,待其完全溶解后,将混合液转入水热反应釜中,密封后,将水热反应釜放置到温度160-200℃马弗炉中,反应2-5h,反应结束后,自然冷却至室温,将反应液以10000r/min的速率离心30min,除去大粒子后,收集上层液体,在50℃旋转蒸发仪中浓缩,然后以15000r/min的速率离心15min,收集沉淀,去离子水洗涤3-5次后,冷冻干燥,获得氮掺杂碳量子点;
(2)将2g Cu(CH3COO)2·H2O完全溶解在40-80mL二缩三乙二醇溶液中,然后加入1.0-3.0g聚赖氨酸,完全溶解后,加入一定量的氮掺杂碳量子点超声分散30min,通N2保护,搅拌下加热至160-200℃,保温0.5-2h后,降至室温,产物经10000r/min的速率高速离心,沉淀经去离子水洗涤3-5次后,60-80℃真空干燥,即得氮掺杂碳量子点/氧化亚铜复合光催化剂。
2.根据权利要求1所述的一种氮掺杂碳量子点/氧化亚铜复合光催化剂的制备方法,其特征在于:步骤(2)所述的氮掺杂碳量子点占Cu(CH3COO)2·H2O质量的0.35%-1.75%。
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