WO2015110117A2 - Method for producing a polymeric carbon nitride catalyst - Google Patents

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WO2015110117A2
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    • Y02E60/36Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis

Definitions

  • the invention relates to a method according to the preamble of patent claim 1, and an apparatus for using the product produced by this method.
  • Another object of the invention was to provide a device for the photochemical decomposition of water for the production of hydrogen, in which a catalyst with significantly increased efficiency is used.
  • Polymeric carbon nitride can also be used for organic reactions.
  • To name would be the oxidation of alkanes, olefins, alcohols, heteroaromatics, the direct oxidation of benzene to phenol and the degradation of contaminants by Oxidation, hydrogenation and, for example, the activation of ⁇ bonds and aromatic systems (see also WANG, Y., WANG, X. & ANTONIETTI, M .: Graphite carbonitride as a heterogeneous organocatalyst: from photochemistry to viekwec catalysis Sustainable Chemistry, Angew. Chemie 124, 70-92 (2012).). Due to this multiple use, the ejfindungsgemäfie catalyst, which in itself already consists of cost-effective materials, could become even cheaper due to production on a larger scale.
  • Carbon nitride also has the advantage over other catalysts that it is very stable thermally and chemically. It can also be chemically modified with relatively simple means.
  • the structure is significantly more variable with respect to the structure of the macroscopic coherent structure as compared with another spinning method such as melt spinning.
  • another spinning method such as melt spinning.
  • a rotating collector (claim 5) allows easy controllable orientation and distribution of polymer fibers or droplets, whereby the risk of their clumping is significantly reduced. At a higher rotation speed ⁇ of the collector, this danger is steadily reduced further. In this way, the efficiency can be further increased. By moving the collector along the axis of rotation, larger areas of a thin film can be produced in a shorter time. This makes the process even more efficient.
  • the broad range of values has been established according to claim 5, whereby a considerable range of fiber and droplet shapes and orientations can be produced.
  • the thickness of the fibers or droplets, as well as the speed of their production can be controlled, which can also be achieved via the control of the voltage, the fiber or droplet thickness.
  • the voltage it is possible to regulate the charge density and thus control whether predominantly electrospinning or electrospraying takes place.
  • the fiber thickness can be controlled.
  • the change in the distance between needle and collector allows further control of the fiber or droplet thickness.
  • the development of the invention according to claim 6 allows an environmentally friendly and inexpensive production of the macroscopically related structure. Due to the easy vaporizability of acetic acid fibers of less soluble substances such as carbon nitride can be easily and quickly produced even at lower voltages between needle and collector.
  • the development of the invention according to claim 8 enables the production of Pölymerfasern or droplets in the nanometer to micrometer range with very inexpensive and very environmentally friendly means.
  • the production is simplified by the good solubility of cellulose acetate in acids. Due to the water insolubility of cellulose acetate heterogeneous catalysis and thus a very simple use of the catalyst is possible. The foil can thus be easily removed from the reaction mixture and reused.
  • Forming the invention of claim 9 further, results in a very easy and inexpensive way of synthesizing polymeric carbon nitride id. This synthesis is thus easier to implement on an industrial scale, since, apart from the heating, no further process steps are necessary. Furthermore, dicyandiamide is a chemical that is very cheap.
  • the carbon nitride modified with the stated substances can be processed in the same way as the unmodified carbon nitride, the use of these modifications does not involve a higher production outlay. In addition, their use is inexpensive and environmentally friendly.
  • FIG. 1 shows the synthesis of the graphitic carbon nitride starting from dicyandiamide
  • FIG. 2 schematically shows a structure for carrying out a high-shear treatment
  • FIG. 3 schematically shows the structure for carrying out the electrospinning / spraying method
  • FIG. 4 shows a measurement of the H 2 production of high-voltage-treated carbon nitride and carbon nitride according to the invention according to the prior art
  • FIG. 5 shows a characterization of the carbon nitride and cellulose acetate film according to the invention produced by means of the electrospinning process as carrier material and of the carbon nitride according to the prior art by means of electron spin resonance,
  • FIG. 6 shows a characterization of the high-stress treated carbon nitride according to the invention, the carbon nitride according to the invention which has been processed by means of an electrospinning method to form a film with the carrier polymer cellulose acetate in comparison with carbon nitride according to the prior art
  • Fig. 7 shows a measurement of the photocurrent in a film produced by electrospraying according to the invention, which consists of cellulose acetate fibers with attached graphitic carbon nitride and
  • FIG. 8 shows a structural detail of a modified graphitic carbon nitride molecule, according to the prior art.
  • Fig. 1 shows schematically the reactions in the synthesis of graphitic carbon nitride (4) starting from dicyandiamide (1).
  • Dicyandiamide (1) condenses on heating with elimination of ammonia (5) to give N2- (4,6-diamino-l, 3,5-triazin-2-yl) -l, 3 ) 5-triazine-2,4, 6-triamine, which is also called melam (2). If it is further heated, melam condenses with elimination of ammonia (5) to triamino-s-triazine (l, 3,4,6,7,9,9b-heptaazaphenalen-2,5,8-triamine), which also Meiern ( 3) is called.
  • graphitic carbon nitride which is a polymer of k tri-s-triazine units.
  • This synthesis can be carried out on a small scale, for example, simply in a muffle furnace with programmed temperature profile. All intermediates have no hazardous material classification and are therefore harmless. The measurement of ammonia production makes it easy to check the progress of the synthesis.
  • the graphitic carbon nitride prepared by the condensation reaction can now be dissolved with a carrier polymer, such as cellulose acetate, in an easily evaporable acid, such as concentrated acetic acid, by stirring or sonication. This solution should be slightly viscous for use in a so-called electrospinning / spraying process.
  • Fig. 2 shows schematically a possible structure for the high-voltage treatment of polymeric carbon nitride.
  • graphitic carbon nitride is first dissolved in glacial acetic acid in the ultrasonic bath. By protonation it is thus possible to bring individual layers of carbon nitride in the ultrasonic bath in solution.
  • This solution is drawn into a syringe and then pumped into a needle by a pump through a tube attached in a tube guide which allows for easy adjustment of the distance between collector and needle.
  • the positive pole of a DC high voltage source is connected to the needle.
  • ITO glass which is mounted on a bracket and grounded.
  • a high voltage - in the order of magnitude of the field between collector approximately 4 kV cm -1 - is applied between the needle and the collector.
  • the acetic acid evaporates and carbon nitride is deposited on the ITO glass, which can be removed from the ITO glass after drying.
  • the pumping speed is an important factor controlling the intensity of the high voltage treatment.
  • the entire structure is embedded in a housing to minimize disturbances of the process.
  • Fig. 3 shows schematically the structure of the electrospinning / spraying method.
  • the area in which high voltage is applied is housed in a housing (6) of polyethylene (PE) panels with the dimensions of 800 cm (height) to 800 cm ( Width) to 400 cm (depth).
  • the syringe (10) filled with the polymer is located outside the housing.
  • the syringe is connected by means of a so-called LuerLock connection to a transparent plastic tube (11), which is passed via a plastic tube (12) into the housing (6).
  • a series resistor (19) can be interposed in order to make the current as low as possible and thus harmless in the event of a possible electric shock.
  • the plate for the holder of the collector (17) is mounted on blocks of wood (7), which are fastened by means of large plastic screws in the bottom plate of the housing (6). In the bottom plate of the housing (6) holes are drilled at intervals of -5 cm.
  • the plate for the holder of the collector is also made of PE and is attached above plastic plugs.
  • the rotary collector (15) is made of an aluminum tube having an inner diameter of 2.1 cm and an outer diameter of 2.5 cm.
  • the pipe is fastened via flanges with turned-up shafts at angles of aluminum, which are fixed to the support plate (17).
  • the two shafts of the collector (15) are mounted by means of ball bearings to reduce the noise and to allow a smooth running of the collector (15).
  • One of the two shafts has a bore to fix the motor shaft of a 12V DC motor (16) driving the collector tube therein by means of a screw.
  • the DC motor (16) is also fixed to an angle at which the tube (15) is fixed, and can be driven by a laboratory power supply (8). By regulating the current intensity, it is possible to control its rotational speed.
  • the rotary collector (16) can move on an axis (A).
  • the syringe (10) After filling the syringe (10) with a previously prepared solution of cellulose acetate carrier and graphitic carbon nitride in acetic acid and the tube (11) the latter is passed through the plastic tube (12) and a needle (13), in the size Gauge 20th , connected to the hose. Thereafter, the distance between needle (13) and collector (15) can be adjusted. Once this has been done, the needle (13) can be connected to the positive pole of the high voltage source (18). The collector (15) is placed on earth. Once this has taken place, the pumping rate can be regulated by means of the syringe pump (9).
  • the " pump speed control allows fiber thickness control and is the most important parameter to influence the speed of the manufacturing process.
  • the collector (15) is switched on. Once a drop has formed on the needle (13), the high voltage is applied. In this case, this voltage is adjusted so that there is a stable jet of fibers or droplets between the needle (13) and collector (15). Due to the applied high voltage and the resulting ionization of the particles of the solution, there is repulsion between the particles of the solution in the needle (13). In an interaction between electrostatic repulsion, air pressure, gravity and surface tension, a so-called Taylor cone. From which forms a jet of polymer fibers / droplets (14), which are drawn over their time of flight to the collector (15) and dried. The duration of the flight time and thus the thickness of the fiber or the diameter of the droplets depends on the distance between the needle (13) and collector (1-5) and on the applied high voltage.
  • Fig. 4 shows the H 2 production of high voltage treated carbon nitride (dashed, a) according to the invention compared to prior art carbon nitride when illuminated by a solar simulator and triethanolamine as electron donor and H 2 PtCl 6 as co-catalyst in FIG H 2 0.
  • gas production was monitored by pressure, and gas composition was determined by headspace gas chromatography at the end of the experiment.
  • high-tension treated carbon nitride contaminated according to the invention was used for this measurement with graphitic carbon nitride, a clear increase in the catalytic activity and thus in the efficiency of the catalyst according to the invention can be observed.
  • Fig. 5 shows a characterization of the inventive film (dotted b)), which was prepared by means of the electrospinning method and cellulose acetate as a carrier polymer, from known graphite carbonitride powder (a)) and a reference sample (painted and dotted , c)) by electron spin resonance at 6.2 Kelvin.
  • the reference sample was obtained by wiping out the electrospinning solution and then freeze-drying. It is known that a peak at a g-factor of ⁇ 2.0034 is due to unpaired holes in aromatic systems. An increase in the intensity of this peak is attributed to increased local stress and lattice defects. An extremely high density of unpaired hole electrons is found in literature known carbon nitride (a)).
  • FIG. 3 shows a characterization of high-stress treated carbon nitride according to the invention (dotted, b)), of a film according to the invention (deleted and scores, c)), which was prepared by means of the electrospinning method and cellulose acetate as a carrier polymer and of literature-known graphitic carbon nitride (a)) by means of ATR infrared spectroscopy.
  • FIG. 7 shows the measured photocurrent for a film according to the invention.
  • the film (about 1 cm 2 ) was here by means of poly-3, -ethylenedioxythiophen-poly (styrenesulfonate) (PEDOT: PSS) attached to ITO (indium-tin-oxide) - glass.
  • PEDOT poly-3, -ethylenedioxythiophen-poly (styrenesulfonate)
  • ITO indium-tin-oxide
  • Fig. 8 shows a section of a graphitic carbon nitride molecule modified with metal cations such as zinc and iron.
  • the "R” stands for more tri-s-triazine units, and the metal cation is mainly held between the tri-s-triazine units through N-M bonds.
  • Zinc-modified graphitic carbon nitride can be prepared, for example, by using carbon nitride in the The mixture is allowed to stir for several hours and then the methanol is evaporated off, the residue is then dried, or the metal cations can be introduced into the carbon nitride with dicyandiamide by analogy with dicyandiamide To the solution is added a salt with the desired cation, then the solvent is evaporated off and the residue is dried. The dried residue can be processed by the method already described by heating to 560 ° C. to graphitic carbon nitride, which then with Metallka is modified.
  • mesoporous graphitic carbon nitride The preparation of mesoporous graphitic carbon nitride is described in KWON, K., SA, YJ, CHEON, JY & Joo, SH: Ordered mesoporous carbon nitrides with graphitic frameworks as metal-free, highly durable, methanol-tolerant Langmuir 28, 991-6 (2012). described.

Abstract

The invention relates to a method for producing a polymeric carbon nitride catalyst for improving the efficiency of catalysis, particularly during photochemical cleavage of water to obtain hydrogen. The invention also relates to a device in which a catalyst is used that was produced according to said method. The catalyst is preferably attached to drops/fibres of a water-insoluble carrier polymer the diameters and preferably thicknesses of which lie in the nanometre to micrometre range, and which form a mechanically-coherent structure. This mechanically-coherent structure is preferably produced by means of a so-called electrospinning, preferably electrospray, method.

Description

Beschreibung  description
Verfahren zur Herstellung eines polymeren Kohlenstoffnitrid-Katalysators  Process for the preparation of a polymeric carbon nitride catalyst
[001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie eine Vorrichtung zur Verwendung des durch dieses Verfahren hergestellten Erzeugnisses. The invention relates to a method according to the preamble of patent claim 1, and an apparatus for using the product produced by this method.
[002] Derartige Verfahren sind beispielsweise aus ZHANG , Y. & ANTONIETTI, M.: Pho- tocurrent generation by polymeric carbon nitride solids: an initial step towards a novel photovoltaic System. Chem. Asian J. 5, 1307-11 (2010) oder YANG, F. ET AL. : Solar hydrogen evolution using metal-free photocatalytic polymeric carbon nitride/CuInS2 com- posites as photocathodes. J. Mater. Chem. A 1, 6407-6415 (2013) bekannt. Während bei erstgenanntem Verfahren lediglich ein geringer Fotostrom gemessen werden kann, lasst sich mit dem zweiten Verfahren bereits auch eine signifikante Wasserstoffentwicklung messen. Allerdings zur Darstellung dieses Katalysators Indium notwendig, welches zum einem relativ teuer zum anderem auch unter unter Gesichtspunkten der Umwelt bedenklich ist. Beide Verfahren weisen den Nachteil auf, dass ihr Wirkungsgrad sehr gering ist. Such processes are known, for example, from ZHANG, Y. & ANTONIETTI, M .: Photovoltaic generation by polymeric carbon nitride solids: an initial step towards a novel photovoltaic system. Chem. Asian J. 5: 1307-11 (2010) or YANG, F. ET AL. : Solar hydrogen evolution using metal-free photocatalytic polymeric carbon nitride / CuInS 2 com- posites as photocathodes. J. Mater. Chem. A 1, 6407-6415 (2013). While in the former method only a small photocurrent can be measured, can be measured with the second method already a significant evolution of hydrogen. However, indium necessary for the presentation of this catalyst, which is a relatively expensive to others also under environmental aspects of concern. Both methods have the disadvantage that their efficiency is very low.
[003] Aus Xu, J . , WANG, Υ. & ZHU, Y. : Nanoporous Graphitic Carbon Nitride with Enhanced Photocatalytic Performance. Langmuir 29, 10566-10572 (2013) ist ein verbessertes derartiges Verfahren bekannt, die aber immer noch einen geringen Wirkungsgrad hat und auch in der Herstellung aufwendig ist. From Xu, J. , WANG, Υ. & ZHU, Y .: Nanoporous Graphitic Carbon Nitride with Enhanced Photocatalytic Performance. Langmuir 29, 10566-10572 (2013), an improved such a method is known, but still has a low efficiency and is also expensive to manufacture.
[004] Es war daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 so zu verbessern, dass es bezogen auf Erzeugung von größeren Mengen an Wasserstoff einen deutlich höheren Wirkungsgrad aufweist, und dies für ein vergleichsweise breites Spektrum des verwendeten Lichtes. Des weiteren war es Aufgabe der Erfindung, das Verfahren so zu verbessern, dass es preiswert, umweltverträglich und großtechnisch umgesetzt werden kann. It was therefore an object of the invention to improve a method according to the preamble of claim 1 so that it has a significantly higher efficiency based on the production of larger amounts of hydrogen, and this for a relatively broad spectrum of the light used. Furthermore, it was an object of the invention to improve the process so that it can be inexpensively, environmentally friendly and implemented on a large scale.
[005] Eine weitere Aufgabe der Erfindung war es, eine Vorrichtung zur fotochemischen Aufspaltung von Wasser zur Gewinnung von Wasserstoff zu schaffen, bei der ein Katalysator mit deutlich erhöhten Wirkungsgrad verwendet wird. Another object of the invention was to provide a device for the photochemical decomposition of water for the production of hydrogen, in which a catalyst with significantly increased efficiency is used.
[006] Diese Aufgaben werden mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 bzw. 12 gelöst. These objects are achieved by the characterizing features of patent claims 1 and 12, respectively.
[007] Polymeres Kohlenstoffnitrid kann auch für organische Reaktionen verwendet werden. Zu nennen wäre die Oxidation von Alkanen, Olefinen, Alkoholen, Heteroaromaten, die Direktoxidation von Benzol zu Phenol sowie der Abbau von Verschmutzungen durch Oxidation, Hydrierungen und zum Beispiel auch die Akivierung von π-Bindungen und aromatischen Systemen (siehe hierzu auch WANG, Y. , WANG, X. & ANTONIETTI, M.: Polymeres graphitisches Kohlenstoffnitrid als heterogener Organokatalysator: von der Photochemie über die Viekweokkatalyse hin zur nachhaltigen Chemie. Angew. Chemie 124, 70-92 (2012).). Durch diese Mehrfachverwendung könnte der an für sich schon aus kostengünstigen Materialien bestehende ejfindungsgemäfie Katalysator aufgrund einer Produktion im größeren Maßstab noch preiswerter werden. Polymeric carbon nitride can also be used for organic reactions. To name would be the oxidation of alkanes, olefins, alcohols, heteroaromatics, the direct oxidation of benzene to phenol and the degradation of contaminants by Oxidation, hydrogenation and, for example, the activation of π bonds and aromatic systems (see also WANG, Y., WANG, X. & ANTONIETTI, M .: Graphite carbonitride as a heterogeneous organocatalyst: from photochemistry to viekwec catalysis Sustainable Chemistry, Angew. Chemie 124, 70-92 (2012).). Due to this multiple use, the ejfindungsgemäfie catalyst, which in itself already consists of cost-effective materials, could become even cheaper due to production on a larger scale.
[008] Kohlenstoffnitrid hat gegenüber anderen Katalysatoren weiterhin den Vorteil, dass es thermisch und chemisch sehr stabil ist. Es lässt sich auch mit relativ einfach Mitteln chemisch modifizieren. Carbon nitride also has the advantage over other catalysts that it is very stable thermally and chemically. It can also be chemically modified with relatively simple means.
[009] Die Behandlung von Kohlenstoffnitrid in einem Hochspannungsfeld lässt sich einfach bewerkstelligen und kommt ohne umweltschädigende oder seltene Chemikalien aus. Damit lässt sich mit wenigen Verfahrensschritten und sehr preiswert sowie umweltverträglich eine Verbesserung des Wirkungsgrades in Bezug auf die Wasserstoffproduktion erzielen. The treatment of carbon nitride in a high voltage field is easy to accomplish and can be done without environmentally damaging or rare chemicals. This can be achieved with a few process steps and very inexpensive and environmentally friendly an improvement in the efficiency in terms of hydrogen production.
[010] Dadurch dass man Kohlenstoff nitrid an Fasern oder Tröpfchen, deren Dicke im Nano- bis Mikrometer-Bereich hegt, anlagert (Anspruch 2), tritt der Vorteil ein, dass die aktive Oberfläche des Kohlenstoffnitrids und damit auch der Wirkungsgrad bei der Wasserstofferzeugung erhöht wird. Somit erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren die direkte Umwandlung von Lichtenergie in speicherbare chemische Energie in technisch verwertbarem Maßstab. The fact that carbon nitride fibers or droplets whose thickness in the nano to micrometer range hangs, attaches (claim 2), there is the advantage that the active surface of the carbon nitride and thus also increases the efficiency of hydrogen production becomes. Thus, the method of the invention allows the direct conversion of light energy into storable chemical energy on a technically usable scale.
[011] Darüber hinaus ist für die Herstellung des Katalysators kein wesentlich größerer Aufwand nötig als bei den bekannten Verfahren. Auch die Herstellung des Trägerpolymeres gestaltet sich sehr preiswert. In addition, no much greater effort is required for the preparation of the catalyst than in the known methods. The preparation of the carrier polymer is very inexpensive.
[012] Durch Verwendung eines Electrospinning/spraying-Verfahrens (Anspruch 3) ist der Aufbau im Vergleich zu einem anderen Spinnverfahren, wie beispielsweise Schmelzspinnen, deutlich variabler in Bezug auf den Aufbau der makroskopischen zusammenhängenden Struktur. So kann man beispielsweise durch Veränderungen weniger Parameter zunächst einmal zwischen Fasern- und Tröpfchenform wählen. Im ersten Fall lässt sich sowohl Faseraufbau, -durchmesser und -oberfläche variieren, sowie deren Orientierung, während im zweiten Fall die Verteilung der Tröpfchen und deren Durchmesser verändert werden kann. By using an electrospinning / spraying method (claim 3), the structure is significantly more variable with respect to the structure of the macroscopic coherent structure as compared with another spinning method such as melt spinning. For example, by changing parameters, one can first choose between the shape of the fibers and the droplets. In the first case, both the fiber structure, diameter and surface can be varied, as well as their orientation, while in the second case, the distribution of the droplets and their diameter can be changed.
[013] Durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 4 ergibt sich eine gleichmäßigere Verteilung der Polymerfasern bzw. Tröpfchen und dadurch eine leich- tere Weiterverarbeitung. Ein rotierender Sammler (Anspruch 5) ermöglicht eine einfach steuerbare Orientierung und Verteilung der Polymerfasern bzw. -tröpfchen, womit die Gefahr von deren Verklumpung deutlich vermindert wird. Bei höherer Drehgeschwindigkeit ■des Sammlers wird diese Gefahr stetig weiter vermindert- Auf diese Weise kann man den Wirkungsgrad noch weiter steigern. Durch Bewegung des Sammlers längs der Drehachse können größere Flächen einer dünnen Folie in kürzerer Zeit hergestellt werden. Damit wird das Verfahren noch effizienter. [013] The characterizing features of claim 4 result in a more uniform distribution of the polymer fibers or droplets and thus a slight Further processing. A rotating collector (claim 5) allows easy controllable orientation and distribution of polymer fibers or droplets, whereby the risk of their clumping is significantly reduced. At a higher rotation speed ■ of the collector, this danger is steadily reduced further. In this way, the efficiency can be further increased. By moving the collector along the axis of rotation, larger areas of a thin film can be produced in a shorter time. This makes the process even more efficient.
[014] Für die Parameter beim Electrospinning/spraying- Verfahren hat sich der breite Wertebereich gemäß Anspruch 5 ergeben, womit eine beträchtliche Bandbreite von Faserund Tröpfchenformen und -Orientierungen hergestellt werden kann. So kann durch die Steuerung der Pumpgeschwindigkeit die Dicke der Fasern bzw. Tröpfchen, sowie die Geschwindigkeit von deren Herstellung gesteuert werden, was ebenso aber auch über die die Steuerung der Spannung die Faser- bzw. Tröpfchendicke erreicht werden kann. Des weiteren kann man durch Veränderung der Spannung die Ladungsdichte regeln und damit steuern, ob überwiegend Electrospinning oder Electrospraying stattfindet. Über die Steuerung des Abstandes zwischen Nadel und Sammler kann die Faserdicke gesteuert werden. Schließlich erlaubt die Veränderung der Distanz zwischen Nadel und Sammler eine weitere Steuerungsmöglichkeit der Faser- bzw. Tröpfchendicke. For the parameters in the electrospinning / spraying method, the broad range of values has been established according to claim 5, whereby a considerable range of fiber and droplet shapes and orientations can be produced. Thus, by controlling the pumping speed, the thickness of the fibers or droplets, as well as the speed of their production can be controlled, which can also be achieved via the control of the voltage, the fiber or droplet thickness. Furthermore, by changing the voltage, it is possible to regulate the charge density and thus control whether predominantly electrospinning or electrospraying takes place. By controlling the distance between the needle and the collector, the fiber thickness can be controlled. Finally, the change in the distance between needle and collector allows further control of the fiber or droplet thickness.
[015] Die Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 6 ermöglicht eine umweltverträgliche und preiswerte Herstellung der makroskopisch zusammenhängen Struktur. Durch die leichte Verdampfbarkeit von Essigsäure lassen sich auch bei niedrigeren Spannungen zwischen Nadel und Sammler Fasern aus schwerer löslichen Substanzen wie Kohlenstoffnitrid leicht und schnell herstellen. The development of the invention according to claim 6 allows an environmentally friendly and inexpensive production of the macroscopically related structure. Due to the easy vaporizability of acetic acid fibers of less soluble substances such as carbon nitride can be easily and quickly produced even at lower voltages between needle and collector.
[016} Bildet man das Verfahren nach Anspruch 7 weiter, ergibt sich der Vorteil, dass Folien durch ihre große Oberfläche einen hohen Wirkungsgrad ermöglichen und leicht transportiert und weiterverarbeitet werden können. Darüber "hinaus I önnen Folien mit dem Electrospinning/spraying- Verfahren besonders leicht hergestellt werden. [016] If the method according to claim 7 is further developed, there is the advantage that, due to their large surface area, films allow high efficiency and can be easily transported and processed further. In addition, I LEVERAGING films "are particularly easily prepared by the electrospinning / spraying- method.
[017] Die Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 8 ermöglicht die Herstellung von Pölymerfasern bzw. -tröpfchen im Nano- bis Mikrometer-Bereich mit sehr preiswerten und sehr umweltverträglichen Mitteln. Darüber hinaus wird die Herstellung durch die gute Löslichkeit von Celluloseacetat in Säuren vereinfacht. Durch die Wasserunlöslichkeit von Celluloseacetat ist heterogene Katalyse und damit eine sehr einfache Verwendung des Katalysators möglich. Die Folie lässt sich damit einfach aus dem i eaktionsgemisch entfernen und damit wiederverwenden. [018] Bildet man die Erfindung nach Anspruch 9 weiter, ergibt sich eine sehr leichte und preiswerte Möglichkeit der Synthese von polymeren Kohlenstoff nitr id. Diese Synthese ist ■damit leichter großtechnisch msetzbar, da -außer der Erhitzung keine weiteren Verfahrens- schritte notwendig sind. Des weiteren ist Dicyandiamid eine Chemikaüe, die sehr preiswert ist. The development of the invention according to claim 8 enables the production of Pölymerfasern or droplets in the nanometer to micrometer range with very inexpensive and very environmentally friendly means. In addition, the production is simplified by the good solubility of cellulose acetate in acids. Due to the water insolubility of cellulose acetate heterogeneous catalysis and thus a very simple use of the catalyst is possible. The foil can thus be easily removed from the reaction mixture and reused. Forming the invention of claim 9 further, results in a very easy and inexpensive way of synthesizing polymeric carbon nitride id. This synthesis is thus easier to implement on an industrial scale, since, apart from the heating, no further process steps are necessary. Furthermore, dicyandiamide is a chemical that is very cheap.
.[0.19] Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Patentanspruch 10 ermöglicht eine weitere Erhöhung des Wirkungsgrades, da die genannten Stoffe die Absorption von Licht und die Ladungstrennung verbessern, wodurch eine Erhöhung des Photostromes eintritt. [019] The development of the invention according to claim 10 allows a further increase in the efficiency, since the substances mentioned improve the absorption of light and the charge separation, whereby an increase of the photocurrent occurs.
Da sich das mit den genannten Stoffen modifizierte Kohlenstoffnitrid gleich wie das nicht- modifizierte Kohlenstoffnitrid verarbeiten lässt, ist mit der Verwendung dieser Modifikationen kein höherer Herstellungsaufwand verbunden. Darüber hinaus ist deren Verwendung preiswert und umweltverträglich. Since the carbon nitride modified with the stated substances can be processed in the same way as the unmodified carbon nitride, the use of these modifications does not involve a higher production outlay. In addition, their use is inexpensive and environmentally friendly.
[020] Die Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 11 ermöglicht eine weitere Erhöhung des Wirkungsgrades des erfindungsgemäßen Verfahrens durch Vergrößerung der katalytisch aktiven Oberfläche. The development of the invention according to claim 11 allows a further increase in the efficiency of the method according to the invention by enlarging the catalytically active surface.
[021] Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben. [022] Dabei zeigt: In the following, an embodiment of the invention will be described in more detail. [022]
[023] Fig. 1 die Synthese des graphitischen Kohlenstoffnitrids ausgehend von Dicyandiamid, FIG. 1 shows the synthesis of the graphitic carbon nitride starting from dicyandiamide, FIG.
{024] -Fig- 2 in schematischer Weise einen Aufbau zur DurcMührung einer Hochspan ings- behandlung, {024] Fig. 2 schematically shows a structure for carrying out a high-shear treatment;
[025] Fig. 3 in schematischer Weise den Aufbau zur Durchführung des Electrospinning/spraying- Verfahrens, FIG. 3 schematically shows the structure for carrying out the electrospinning / spraying method, FIG.
[026] Fig. 4 eine Messung der H2-Produktion von erfindungsgemäßen hochspannungsbe- handelten Kohlenstoffnitrid und Kohlenstoffnitrid nach dem Stand der Technik, [026] FIG. 4 shows a measurement of the H 2 production of high-voltage-treated carbon nitride and carbon nitride according to the invention according to the prior art,
[027] Fig. 5 eine Charakterisierung der mittels des Electrospinning- Verfahrens hergestellten erfindungsgemäßen Folie aus Kohlenstoffnitrid und Celluloseacetat als Trägermaterial und des Kohlenstoffnitrids nach dem Stand der Technik mittels Electronenspinresonanz, 5 shows a characterization of the carbon nitride and cellulose acetate film according to the invention produced by means of the electrospinning process as carrier material and of the carbon nitride according to the prior art by means of electron spin resonance,
[028] Fig. 6 eine Charakterisierung des erfindungsgemäßen hochspannungsbehandelten Kohlenstoffnitrids, des erfindungsgemäßen mittels eines Electrospinning- Verfahrens zu Folie mit dem Trägerpolymer Celluloseacetat verarbeiteten Kohlenstoffnitrids im Vergleich mit Kohlenstoffnitrid nach dem Stand der Technik, 6 shows a characterization of the high-stress treated carbon nitride according to the invention, the carbon nitride according to the invention which has been processed by means of an electrospinning method to form a film with the carrier polymer cellulose acetate in comparison with carbon nitride according to the prior art,
[029] Fig. 7 eine Messung des Photostromes bei einer mittels Electrospraying hergestellten erfindungsgemäßen Folie, welche aus an Celluloseacetat-Fasern mit angelagertem graphitischen Kohlenstoffnitrid besteht und Fig. 7 shows a measurement of the photocurrent in a film produced by electrospraying according to the invention, which consists of cellulose acetate fibers with attached graphitic carbon nitride and
[030] Fig. 8 einen Strukturausschnitt aus einem modifizierten graphitischen Kohlenstoffnitrid- Molekül, nach dem Stand der Technik. [030] FIG. 8 shows a structural detail of a modified graphitic carbon nitride molecule, according to the prior art.
|031] Fig. 1 zeigt in schematischer Weise die Reaktionen bei der Synthese von graphitischem Kohlenstoffnitrid (4), ausgehend von Dicyandiamid (1). Dabei kondensiert Dicyandiamid (1) bei Erhitzung unter Abspaltung von Ammoniak (5) zu N2-(4,6-Diamino-l,3,5-triazin-2- yl)-l,3)5-triazin-2,4,6-triamin, welches auch Melam (2) genannt wird. Erhitzt man nun weiter, kondensiert Melam unter Abspaltung von Ammoniak (5) zu Triamino-s-Triazin (l,3,4,6,7,9,9b-Heptaazaphenalen-2,5,8-triamin), welches auch Meiern (3) gennant wird . Dieses kondensiert bei weiterer Erhitzung bis auf 560 °C zum gelben graphitischen Koh- lenstofmitrid, welches ein Polymer aus k tri-s-Triazin-Einheiten ist. Diese Synthese lässt sich in kleinem Maßstab beispielsweise einfach in einem Muffelofen mit programmierten Temperaturverlauf durchführen. Alle Zwischenprodukte haben keine Gefahrguteinstufung und sind somit unbedenklich. Über die Messung der Ammoniak-Produktion lässt sich leicht der Fortschritt der Synthese überprüfen. Das über die Kondensationsreaktion hergestellte graphitische Kohlenstoffnitrid kann nun mit einen Trägerpolymer, wie Celluloseacetat, in einer leicht verdampfbaren Säure, wie beispielsweise konzentrierte Essigsäure, durch Rühren oder Ultraschallbehandlung gelöst werden. Diese Lösung sollte für die Verwendung in einem sogenannten Electrospinning/spraying- Verfahren leicht viskos sein. Fig. 1 shows schematically the reactions in the synthesis of graphitic carbon nitride (4) starting from dicyandiamide (1). Dicyandiamide (1) condenses on heating with elimination of ammonia (5) to give N2- (4,6-diamino-l, 3,5-triazin-2-yl) -l, 3 ) 5-triazine-2,4, 6-triamine, which is also called melam (2). If it is further heated, melam condenses with elimination of ammonia (5) to triamino-s-triazine (l, 3,4,6,7,9,9b-heptaazaphenalen-2,5,8-triamine), which also Meiern ( 3) is called. This condenses on further heating up to 560 ° C to yellow graphitic carbon nitride, which is a polymer of k tri-s-triazine units. This synthesis can be carried out on a small scale, for example, simply in a muffle furnace with programmed temperature profile. All intermediates have no hazardous material classification and are therefore harmless. The measurement of ammonia production makes it easy to check the progress of the synthesis. The graphitic carbon nitride prepared by the condensation reaction can now be dissolved with a carrier polymer, such as cellulose acetate, in an easily evaporable acid, such as concentrated acetic acid, by stirring or sonication. This solution should be slightly viscous for use in a so-called electrospinning / spraying process.
[032] Fig. 2 zeigt in schematischer Weise einen möglichen Aufbau zur Hochspannungsbehandlung von polymeren Kohlenstoffnitrid. Hierbei wird zunächst graphitisches Kohlenstoffnitrid in Eisessig im Ultraschallbad gelöst. Durch Protonierung ist es damit möglich einzelne Lagen an Kohlenstoffnitrid im Ultraschallbad in Lösung zu bringen. Diese Lösung wird in eine Spritze aufgezogen und dann mit einer Pumpe durch einen Schlauch, der in einer Schlauchführung, welche eine einfach Einstellung des Abstandes zwischen Sammler und Nadel ermöglicht, befestigt ist, in eine Nadel gepumpt. An der Nadel ist der Pluspol einer Gleichspannungs-Hochspannungsquelle angeschlossen. Unterhalb der der Nadel befindet sich ein ITO-Glas, welches auf einer Halterung befestigt ist und geerdet ist. Nach Pumpbeginn wird eine Hochspannung - in einer Größenordnung in der das Feld zwischen Sammler etwa 4 kV cm-1 beträgt - zwischen Nadel und Sammler angelegt. Dadurch verdampft die Essigsäure und es wird Kohlenstoffnitrid auf dem ITO-Glas abegschieden, welches nach Trocknen von dem ITO-Glas entfernt werden kann. Die Pumpgeschwindigkeit ist hierbei ein wichtiger Faktor, der die Intensität der Hochspannungsbehandlung steuert. Der gesamte Aufbau ist in einem Gehäuse eingebettet um Störungen des Prozesses zu minimieren. Fig. 2 shows schematically a possible structure for the high-voltage treatment of polymeric carbon nitride. Here, graphitic carbon nitride is first dissolved in glacial acetic acid in the ultrasonic bath. By protonation it is thus possible to bring individual layers of carbon nitride in the ultrasonic bath in solution. This solution is drawn into a syringe and then pumped into a needle by a pump through a tube attached in a tube guide which allows for easy adjustment of the distance between collector and needle. The positive pole of a DC high voltage source is connected to the needle. Below the needle is an ITO glass, which is mounted on a bracket and grounded. After the start of pumping, a high voltage - in the order of magnitude of the field between collector approximately 4 kV cm -1 - is applied between the needle and the collector. As a result, the acetic acid evaporates and carbon nitride is deposited on the ITO glass, which can be removed from the ITO glass after drying. The pumping speed is an important factor controlling the intensity of the high voltage treatment. The entire structure is embedded in a housing to minimize disturbances of the process.
[033] Fig. 3 zeigt in schematischer Weise den Aufbau des Electrospinning/spraying- Verfa rens. 2ur Abschirmung des Versuchs gegen äußere Einflüsse und zum Schutz des Experimentators vor der Hochspannung befindet sich der Bereich, in dem Hochspannung anliegt in einem Gehäuse (6) aus Polyethylen (PE) - Platten mit den Dimensionen von 800 cm (Höhe) auf 800 cm (Breite) auf 400 cm (Tiefe). Zur weiteren Absicherung befindet sich die mit dem Polymer gefüllte Spritze (10) außerhalb des Gehäuses. Die Spritze wird mittels eines sogenannten LuerLock-Anschluss an einen durchsichtigen Kunststoffschlauch (11) angeschlossen, welcher über ein Kunststoffrohr (12) in das Gehäuse (6) geleitet wird. Als weitere Absicherungsmaßnahme kann noch ein Vorwiderstand (19) zwischengeschaltet werden, um den Strom bei einen möglichen Stromschlag "so gering wie möglich und damit unbedenklich zu machen. [034] Die Platte für die Halterung des Sammler (17) ist auf Klötzen aus Holz (7) gelagert, welche mittels großer Kunststoffschrauben in der Bodenplatte des Gehäuses (6) befestigt werden. In der Bodenplatte -des Gehäuses (6) sind im Abstand von jeweils -5 cm passende Löcher gebohrt. Die Platte für die Halterung des Sammlers ist ebenfalls aus PE und wird oben über Kunststoffstopfen befestigt. Fig. 3 shows schematically the structure of the electrospinning / spraying method. In order to shield the experiment against external influences and to protect the experimenter from the high voltage, the area in which high voltage is applied is housed in a housing (6) of polyethylene (PE) panels with the dimensions of 800 cm (height) to 800 cm ( Width) to 400 cm (depth). For further protection, the syringe (10) filled with the polymer is located outside the housing. The syringe is connected by means of a so-called LuerLock connection to a transparent plastic tube (11), which is passed via a plastic tube (12) into the housing (6). As a further safeguard measure, a series resistor (19) can be interposed in order to make the current as low as possible and thus harmless in the event of a possible electric shock. The plate for the holder of the collector (17) is mounted on blocks of wood (7), which are fastened by means of large plastic screws in the bottom plate of the housing (6). In the bottom plate of the housing (6) holes are drilled at intervals of -5 cm. The plate for the holder of the collector is also made of PE and is attached above plastic plugs.
Durch das verschiebbare Kunststoffrohr als Schlauchführung (12) und durch die Befestigung des .Sammlerplatte über Klötze (7), welche mittels Schrauben an der Bodenplatte befestigt werden, ist ein leichter und schneller Umbau des Electrospinning/spraying- Aufbaus möglich.  By the sliding plastic tube as a hose guide (12) and by attaching the .Sammlerplatte about blocks (7), which are fastened by screws to the bottom plate, a quick and easy conversion of the electrospinning / spraying construction is possible.
[035] Der rotierende Sammler (15) besteht aus einem Aluminiumrohr mit einem Innendurchmesser von 2,1 cm und einem Außendurchmesser von 2,5 cm. Das Rohr wird über Flansche mit angedrehten Wellen in Winkeln aus Aluminum, welche an der Halterungsplatte (17) fixiert sind, befestigt. Die beiden Wellen des Sammlers (15) sind mittels Kugellagern gelagert um die Lärmentwicklung zu mindern und einen ruhigen Lauf des Sammlers (15) zu ermöglichen. Eine der beiden Wellen weist eine Bohrung auf, um darin die Motorwelle eines 12 V DC-Motors (16), der das Sammlerrohr antreibt, mittels einer Schraube zu befestigen. Der DC-Motor (16) ist ebenfalls an einem Winkel, an dem das Rohr (15) fixiert ist, befestigt und kann über ein Labornetzgerät (8) angetrieben werden. Über die Regulierung der Stromstärke ist eine Steuerung von dessen Drehgeschwindigkeit möglich. [035] The rotary collector (15) is made of an aluminum tube having an inner diameter of 2.1 cm and an outer diameter of 2.5 cm. The pipe is fastened via flanges with turned-up shafts at angles of aluminum, which are fixed to the support plate (17). The two shafts of the collector (15) are mounted by means of ball bearings to reduce the noise and to allow a smooth running of the collector (15). One of the two shafts has a bore to fix the motor shaft of a 12V DC motor (16) driving the collector tube therein by means of a screw. The DC motor (16) is also fixed to an angle at which the tube (15) is fixed, and can be driven by a laboratory power supply (8). By regulating the current intensity, it is possible to control its rotational speed.
Darüber hinaus kann der rotierende Sammler (16) sich auf einer Achse (A) bewegen. Nach Befüllung der Spritze (10) mit einer zuvor hergestellten Lösung des aus Celluloseacetat bestehenden Trägerpolymers und graphitischem Kohlenstoffnitrid in Essigsäure und des Schlauches (11) wird letzterer durch das Kunststoffrohr (12) geführt und eine Nadel (13), im Bereich der Größe Gauge 20, an den Schlauch angeschlossen. Danach kann der Abstand zwischen Nadel (13) und Sammler (15) eingestellt werden. Ist dies erfolgt, kann die Nadel (13) an den Pluspol der Hochspannungsquelle (18) angeschlossen werden. Der Sammler (15) wird auf Erde gelegt. Ist dies erfolgt, kann mittels der Spritzenpumpe (9) die Pumpgescnwmdigkeit geregelt werden. Die "Regelung der Pumpgeschwindigkeit erlaubt eine Steuerung der Faserdicke und ist der wichtigste Parameter, um die Geschwindigkeit des Herstellungsprozesses zu beeinflussen. In addition, the rotary collector (16) can move on an axis (A). After filling the syringe (10) with a previously prepared solution of cellulose acetate carrier and graphitic carbon nitride in acetic acid and the tube (11) the latter is passed through the plastic tube (12) and a needle (13), in the size Gauge 20th , connected to the hose. Thereafter, the distance between needle (13) and collector (15) can be adjusted. Once this has been done, the needle (13) can be connected to the positive pole of the high voltage source (18). The collector (15) is placed on earth. Once this has taken place, the pumping rate can be regulated by means of the syringe pump (9). The " pump speed control " allows fiber thickness control and is the most important parameter to influence the speed of the manufacturing process.
Nach dem Start des Pumpens wird der Sammler (15) eingeschaltet. Sobald sich ein Tropfen an der Nadel (13) gebildet hat, wird die Hochspannung angelegt. Dabei wird diese Spannung so eingestellt, dass es einen stabilen Strahl an Fasern bzw. Tröpfchen zwischen Nadel (13) und Sammler (15) gibt. Durch die angelegte Hochspannung und die daraus resultierende Ionisierung der Teilchen der Lösung kommt es zur Abstoßung zwischen den Teilchen der Lösung in der Nadel (13). In einem Zusammenspiel zwischen elektrostatischer Abstoßung, Luftdruck, Schwerkraft und Oberflächenspannung bildet sich ein sogenannter Taylor cone. Aus welchem sich ein Strahl aus Polymerfasern/tröpfchen (14) bildet, die über ihre Flugzeit zum Sammler (15) langgezogen und getrocknet werden. Die Dauer der Flugzeit und damit die Dicke der Faser bzw. der Durchmesser der Tröpfchen hängt vom Abstand zwischen Nadel (13) und Sammler (1-5) sowie von der angelegten Hochspannung ab. After starting the pump, the collector (15) is switched on. Once a drop has formed on the needle (13), the high voltage is applied. In this case, this voltage is adjusted so that there is a stable jet of fibers or droplets between the needle (13) and collector (15). Due to the applied high voltage and the resulting ionization of the particles of the solution, there is repulsion between the particles of the solution in the needle (13). In an interaction between electrostatic repulsion, air pressure, gravity and surface tension, a so-called Taylor cone. From which forms a jet of polymer fibers / droplets (14), which are drawn over their time of flight to the collector (15) and dried. The duration of the flight time and thus the thickness of the fiber or the diameter of the droplets depends on the distance between the needle (13) and collector (1-5) and on the applied high voltage.
Zum Beenden des Prozesses wird zunächst die Hochspannung und danach die Pumpe (9) und der Sammler (15) abgeschaltet. Nach Erdung aller Teile kann die Folie, die sich nun auf dem Sammler (15) befindet, beispielsweise mit einem Skalpell, einfach durchgesch n i tten und damit abgenommen werden  To end the process, first the high voltage and then the pump (9) and the collector (15) is turned off. After grounding of all parts, the film, which is now on the collector (15), for example, with a scalpel, simply durchgesch n i tten and thus be removed
[036] Fig. 4 zeigt die H2-Produktion von erfindungsgemäßen hochspannungsbehandelten Kohlenstoffnitrid (gestrichelt, a)) im Vergleich zu Kohlenstoffnitrid nach dem Stand der Technik bei Beleuchtung mittels eines Sonnensimulators und Triethanolamin als Elektronendonator und H2PtCl6 als Co-Katalysator in H20 . Die Gasproduktion wurde hierbei im Laufe der Zeit über den Druck überwacht, die Zusammensetzung des Gases wurde am Versuchsende mittels Headspace-Gaschromatografie bestimmt. Obwohl für diese Messung mit graphtischen Kohlenstoffnitrid verunreinigtes erfindungsgemäßes hochspannungsbehan- deltes Kohlenstoffnitrid verwendet wurde, ist eine deutliche Steigerung der katalytischen Aktivität und damit des Wirkungsgrades bei dem erfindungsgemäßen Katalysator festzustellen. Fig. 4 shows the H 2 production of high voltage treated carbon nitride (dashed, a) according to the invention compared to prior art carbon nitride when illuminated by a solar simulator and triethanolamine as electron donor and H 2 PtCl 6 as co-catalyst in FIG H 2 0. Over time, gas production was monitored by pressure, and gas composition was determined by headspace gas chromatography at the end of the experiment. Although high-tension treated carbon nitride contaminated according to the invention was used for this measurement with graphitic carbon nitride, a clear increase in the catalytic activity and thus in the efficiency of the catalyst according to the invention can be observed.
[037] Fig. 5 zeigt eine Charakterisierung der erfindungsgemäßen Folie (gepunktet b)), die mittels des Electrospinning- Verfahrens und Celluloseacetat als Trägerpolymer hergestellt wurde, von literaturbekannten graphitischen Kohlenstoffnitrid-Pulver (a)) und einer Referenz-Probe (gestrichen und gepunktet, c)) mittels Elektronenspinnresonanz bei 6,2 Kelvin.. Die Referenzprobe wurde durch Ausstreichen der Electrospinning- Lösung und nachfolgender Gefriertrocknung erhalten. Es ist bekannt, dass ein Peak bei einem g-Faktor von ~ 2,0034 auf ungepaarte Defektelektronen in aromatischen Systemen zurückzuführen ist. Eine Vergrößerung der Intensität dieses Peaks wird auf vergrößerten lokalen Stress und Gitterbaufehler zurückgeführt. Eine extrem hohe Dichte an ungepaarten Defektelektronen ist bei literatur bekannten Kohlenstoff nitrid (a)) festzustellen. Es ist deutlich, dass die erfindungsgemäße Folie (b)) durch Verarbeitung mittels des Electrospinning- Verfahrens eine deutlich geringere Dichte an Defekten aufweist. Darüber hinaus wird durch die Referenzprobe (c)) deutlich, dass dieser Effekt nicht auf etwaige Matrix-Effekte der Trägerpolymermatrix zurückzuführen ist. fG38] Fig. ß zeigt eine Charakterisierung von erfindungsgemäßen hochspannungsbehandelten Kohlenstoff nitrid (gepunktet, b)), einer erfindungsgemäßen Folie (gestrichen und ge- punktet, c)), die mittels des Electrospinning- Verfahrens und Celluloseacetat als Trägerpolymer hergestellt wurde und von literaturbekannten graphtischen Kohlenstoffnitrid (a)) mittels ATR-Infrarotspektroskopie. In allen Spektren lassen sich für das polymere aus tri-s-Triazin- Einheiten bestehende Kohlenstoffnitrid charakteristische Schwingungen, wie die s-Triazin Atemschwingung bei 810 cm-1 , erkennen. Des weiteren ist ersichtlich, dass in der analysierten Strukturen Bindungen zwischen Kohlenstoff und Stickstoff vorliegen. Es lassen sich die Banden für die Doppelbindung (1690 cm-1 bis 1630 cm-1) und die Einfachbindung .zwischen Kohlenstoff und Stickstoff erkennen (1590 cm-1 bis 1030 cm-1). Fig. 5 shows a characterization of the inventive film (dotted b)), which was prepared by means of the electrospinning method and cellulose acetate as a carrier polymer, from known graphite carbonitride powder (a)) and a reference sample (painted and dotted , c)) by electron spin resonance at 6.2 Kelvin. The reference sample was obtained by wiping out the electrospinning solution and then freeze-drying. It is known that a peak at a g-factor of ~ 2.0034 is due to unpaired holes in aromatic systems. An increase in the intensity of this peak is attributed to increased local stress and lattice defects. An extremely high density of unpaired hole electrons is found in literature known carbon nitride (a)). It is clear that the film (b) according to the invention by processing by the electrospinning method has a significantly lower density of defects. In addition, the reference sample (c)) shows that this effect is not due to any matrix effects of the carrier polymer matrix. FIG. 3 shows a characterization of high-stress treated carbon nitride according to the invention (dotted, b)), of a film according to the invention (deleted and scores, c)), which was prepared by means of the electrospinning method and cellulose acetate as a carrier polymer and of literature-known graphitic carbon nitride (a)) by means of ATR infrared spectroscopy. In all spectra, it is possible to detect carbon-nitride characteristic vibrations, such as the s-triazine respiratory vibration at 810 cm -1 , for the polymeric tri-s-triazine units. Furthermore, it can be seen that there are bonds between carbon and nitrogen in the analyzed structures. The bands for the double bond (1690 cm -1 to 1630 cm -1 ) and the single bond between carbon and nitrogen can be recognized (1590 cm -1 to 1030 cm -1 ).
[039] Fig. 7 zeigt den gemessenen Fotostrom für eine erfindungsgemäße Folie. Die Folie (etwa 1 cm2) wurde hierbei mittels Poly-3, -ethylendioxythiophen-poly(styrolsulfonat) (PEDOT:PSS) auf ITO (Indium-Zinn-Oxid) - Glas befestigt. Die Beschichtung wurde bei Raumtemperatur getrocknet und bei 115 °C versiegelt. Gemessen wurde der Strom gegen eine Ag/AgCl- Elektrode in eine 0,l mol L-1 KCl - Lösung. Die An/Aus Zyklen wurden durch Abdunkeln und Beleuchten mit einer LED, der ein ähnliches Lichtspektrum wie Tageslicht besitzt, generiert. Im Vergleich zu 2,5 μΑ des literaturbekannten Kohlenstoffnitrids (siehe beispielsweise ZHANG, Y. & ANTONIETTI, M.: Photocurrent generation by Polymerie carbon nitride solids: an initial step towards a novel photovoltaic System. Chem. Asian J. 5, 1307-11 (2010)) ist der Fotostrom der erfindungsgemäßen Folie deutlich gesteigert. FIG. 7 shows the measured photocurrent for a film according to the invention. The film (about 1 cm 2 ) was here by means of poly-3, -ethylenedioxythiophen-poly (styrenesulfonate) (PEDOT: PSS) attached to ITO (indium-tin-oxide) - glass. The coating was dried at room temperature and sealed at 115 ° C. The current was measured against an Ag / AgCl electrode in a 0.1 mol L -1 KCl solution. The on / off cycles were generated by dimming and illuminating with an LED that has a similar light spectrum as daylight. Compared to 2.5 μΑ of the known carbon nitride (see, for example, ZHANG, Y. & ANTONIETTI, M .: Photocurrent generation by Polymeric Carbon Nitride Solids: An Initial Step Towards a Novel Photovoltaic System., Chem. Asian J. 5, 1307-11 (2010)), the photocurrent of the film according to the invention is significantly increased.
[040] Fig. 8 zeigt einen Ausschnitt aus einem Molekül von graphitischem Kohlenstoffnitrid, welches mit Metall-Kationen, wie zum Beispiel Zink und Eisen, modifiziert wurde. Das „R" steht hierbei für weitere tri-s-Triazin-Einheiten. Das Metallkation wird hauptsächlich über N-M -Bindungen zwischen den tri-s-Triazin-Einheiten gehalten. Mit Zink modifiziertes graphitisches Kohlenstoffnitrid lässt sich beispielsweise dadurch herstellen, dass man Kohlenstoffnitrid im Ultraschallbad in Methanol löst und dann wenige Gewichtsprozente Zinkoxid zugibt. Dieses Gemisch lässt man für mehrere Stunden rühren und dampft dann das Methanol ab. Der Rückstand wird dann getrocknet. Alternativ kann man die Metallkationen schon mit Dicyandiamid in das Kohlenstoffnitrid einbringen. Hierfür wird mit Dicyandiamid analog zum zuvor beschriebenen Verfahren gelöst. Zu der Lösung wird ein Salz mit dem gewünschten Kation gegeben. Danach wird das Lösungsmittel abgedampft und der Rückstand getrocknet. Den getrockneten Rückstand kann man mit der schon beschriebenen Methode durch Aufheizen auf 560 °C zu graphitischem Kohlenstoffnitrid verarbeiten, welches dann mit Metallkationen modifiziert ist. Fig. 8 shows a section of a graphitic carbon nitride molecule modified with metal cations such as zinc and iron. The "R" stands for more tri-s-triazine units, and the metal cation is mainly held between the tri-s-triazine units through N-M bonds.Zinc-modified graphitic carbon nitride can be prepared, for example, by using carbon nitride in the The mixture is allowed to stir for several hours and then the methanol is evaporated off, the residue is then dried, or the metal cations can be introduced into the carbon nitride with dicyandiamide by analogy with dicyandiamide To the solution is added a salt with the desired cation, then the solvent is evaporated off and the residue is dried.The dried residue can be processed by the method already described by heating to 560 ° C. to graphitic carbon nitride, which then with Metallka is modified.
[041] Die Herstellung von mesoporösen graphitischen Kohlenstoffnitrid ist in KWON, K. , SA, Y. J. , CHEON, J. Y. & Joo, S. H.: Ordered mesoporous carbon nitrides with graphitic frameworks as metal-free, highly durable, methanol-tolerant oxygen reduction catalysts in an acidic medium. Langmuir 28, 991-6 (2012). beschrieben. The preparation of mesoporous graphitic carbon nitride is described in KWON, K., SA, YJ, CHEON, JY & Joo, SH: Ordered mesoporous carbon nitrides with graphitic frameworks as metal-free, highly durable, methanol-tolerant Langmuir 28, 991-6 (2012). described.
Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS
Nummer Bezeichnung Number designation
1 Dicyandiamid  1 dicyandiamide
2 Melam  2 Melam
3 Meiern  3 Meiern
4 graphitisches Kohlenstoffnitrd  4 graphitic carbon nitride
5 Ammoniak  5 ammonia
6 PE-Gehäuse  6 PE housings
7 Halterung für Mittelplatte  7 bracket for center plate
8 Labornetzgerät  8 laboratory power supply
9 Spritzenpumpe  9 syringe pump
10 Spritze mit LuerLock-Anschluss  10 syringes with LuerLock connection
11 Schlauch mit LuerLock m/w  11 Hose with LuerLock m / w
12 Schlauchfühxung  12 hose guide
13 Nadel  13 needle
14 Fasern/Tröpfchenspray  14 fibers / droplet spray
15 rotierender Sammler  15 rotating collectors
16 12 V DC-Motor  16 12 V DC motor
17 Platte aus PE für Sammler-Haltung  17 plate made of PE for collector's attitude
18 Hochspannungsquelle  18 high voltage source
19 Vorwiderstand  19 resistor
20 ITO-Glas  20 ITO glass
21 Halterung des ITO-Glases  21 Holder of the ITO glass

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Herstellung eines vorzugsweise für die fotochemische Abspaltung von 1. A process for the preparation of a preferably for the photochemical cleavage of
Wasserstoff aus Wasser bei gleichzeitiger Oxidation eines weiteren Stoffes geeigneten polymeren Kohlenstoffnitrid-Katalysators, dadurch gekennzeichnet, dass das polymere Kohlenstoffnitrid (4) zur Erhöhung seiner katalytischen Aktivität in suspendierter oder gelöster Form einem stationären Hochspannungsfeld von mindestens etwa 3 kV cm_1 ausgesetzt wird. Hydrogen from water with simultaneous oxidation of another substance suitable polymeric carbon nitride catalyst, characterized in that the polymeric carbon nitride (4) is exposed to increase its catalytic activity in suspended or dissolved form a stationary high voltage field of at least about 3 kV cm _1 .
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das polymere Kohlenstoffnitrid (4) an Fasern oder tröpfchenförmigen Partikeln eines wasserunlöslichen, eine makroskopisch zusammenhängende Struktur bildenden Trägerpolymers mit einer Faser dicke bzw. einem Tröpfchendurchmesser im Nano- bis Mikrometer bereich angelagert ist. 2. The method according to claim 1, characterized in that the polymeric carbon nitride (4) is attached to fibers or droplet-shaped particles of a water-insoluble, a macroscopically coherent structure forming carrier polymer having a fiber thickness or a droplet diameter in the nanometer to micrometer range.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Electrospinnig/spraying- Verfahren verwendet wird, bei eine homogene flüssige Mischung aus polymeren Kohlenstoffnitrid (4) und dem Trägerpolymer mittels einer Nadel (13) durch ein Hochspannungsfeld einem sogenannten Sammler (15) zugeführt wird. 3. The method according to claim 2, characterized in that an electrospinning / spraying method is used in a homogeneous liquid mixture of polymeric carbon nitride (4) and the carrier polymer by means of a needle (13) fed through a high voltage field to a so-called collector (15) becomes.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass für das Electrospinning/spraying- Verfahren ein sogenannter rotierender Sammler (15) eingesetzt wird, der sich zusätzlich zur Drehung um seine Achse (A) auch noch längs dieser Achse (A) bewegt. 4. The method according to claim 3, characterized in that for the electrospinning / spraying method, a so-called rotating collector (15) is used, which in addition to the rotation about its axis (A) even along this axis (A) moves.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Abstand von 5. The method according to claim 3, characterized in that at a distance of
l ern bis 20 cm zwischen Nadel (13) und Sammler (15) der Electrospinning/spraying- Anlage die dazwischen anliegende Spannung im Bereich von 15 kV bis 40 kV gewählt wird und dass die Pumpgeschwindigkeit, mit der die homogene flüssige Mischung aus polymeren Kohlenstoffnitrid und Trägerpolymer von einer Pumpe (9) durch die Nadel (13) gedrückt wird, einer Pumpleistung zwischen 0,005 mL h-1 bis 1,5 mL h-1 entspricht. l up to 20 cm between needle (13) and collector (15) of the electrospinning / spraying plant the voltage applied in the range of 15 kV to 40 kV is selected and that the pumping speed with which the homogeneous liquid mixture of polymeric carbon nitride and Carrier polymer is pressed by a pump (9) through the needle (13), a pumping capacity between 0.005 mL h -1 to 1.5 mL h -1 corresponds.
6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass beim Electrospinning/spraying- Verfahren polymeres Kohlenstoffnitrid (4) zusammen mit dem in einer leicht verdampfbaren Säure, vorzugsweise konzentrierte Essigsäure, gelösten Trägerpolymer verarbeitet wird. 6. The method according to claim 3, characterized in that the electrospinning / spraying method polymeric carbon nitride (4) is processed together with the dissolved in a readily volatile acid, preferably concentrated acetic acid, carrier polymer.
7. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanisch zusammenhängende Struktur die Form einer Folie aufweist. 7. The method according to claim 2, characterized in that the mechanically coherent structure has the shape of a film.
8. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerpolymerfasern bzw. -tröpfchen aus Celluloseacetat bestehen. 8. The method according to claim 2, characterized in that the carrier polymer fibers or droplets consist of cellulose acetate.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das olymere Kohlenstoffnitrid (4) durch Erhitzen von Dicyandiamid (1) auf 560 °C mit einer Rampe von 2,5 °C min-1 hergestellt wird. 9. The method according to claim 1, characterized in that the polymeric carbon nitride (4) is prepared by heating dicyandiamide (1) to 560 ° C with a ramp of 2.5 ° C min -1 .
10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das als Katalysator- Material verwendete polymere Kohlenstoff nitrid (4) mit einigen Gewichtsprozenten Co-Katalysator wie Platin, Zinkoxid oder einem Chromophor modifiziert wird. 10. The method according to claim 1, characterized in that the polymeric carbon nitride used as catalyst material (4) with a few percent by weight of co-catalyst such as platinum, zinc oxide or a chromophore is modified.
11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das poJymere Kohlenstoffnitrid (4) in einer Form mit vergrößerter Oberfläche - beispielsweise in mesoporöser oder monolayer Form - verwendet wird. 11. The method according to claim 1, characterized in that the polymeric carbon nitride (4) in a mold with an enlarged surface - for example in mesoporous or monolayer form - is used.
12. Vorrichtung zur fotochemische Abspaltung von Wasserstoff aus Wasser bei gleichzeitiger Oxidation eines weiteren Stoffes mitnilfe eines polymeren Korilenstoffnitrid- Katalysators (4), dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator nach einem oder mehreren in den vorhergehenden Ansprüchen beschriebenen Verfahren hergestellt ist. 12. A device for photochemical cleavage of hydrogen from water with simultaneous oxidation of another substance by means of a polymeric Korilenstoffnitrid- catalyst (4), characterized in that the catalyst is prepared according to one or more methods described in the preceding claims.
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