[发明专利]包含3-氨基-1;2;4-三唑和尿素单体单元的介孔碳氮化物材料

说明书

描述了碳氮化物材料和制造所述碳氮化物材料的方法。碳氮化物材料可以是基于3‑氨基‑1,2,4,‑三唑和尿素的三维C₃N₅介孔碳氮化物基质，其原子碳氮比为0.55至0.8，碱性含氮基团为0.15毫摩尔/g至0.25毫摩尔/g。

相关申请的交叉引用

本申请要求2016年8月22日提交的美国临时专利申请第62/377793号的优先权权益，其全部内容通过引用并入本文。

背景技术

1.技术领域

本发明一般涉及具有通式C₃N₅的三维富氮介孔材料。特别地，本发明涉及富氮介孔材料，其包括基于3-氨基-1,2,4,-三唑和尿素的三维C₃N₅介孔碳氮化物基质，其原子碳氮比为0.55至0.8且碱性含氮基团为每克0.15毫摩尔至0.25毫摩尔。

2.相关技术的描述

由于其多个表面官能团和碱性位点，碳氮化物材料可以用于CO₂活化。然而，由于导致活化的碳材料的N-H官能团的数量和可及性的减少，开发具有增加的活性位点数量的碳氮化物材料是令人感兴趣的。举例来说，Su等人(Cat.Sci,&Tech.,2014,第4卷,(6),第1556至1562页)描述了用于CO₂转化成环状碳酸酯的尿素衍生的石墨碳氮化物(u-g-C₃N₄)材料。通过尿素的一步聚合/碳化在不同温度下制备这些催化剂。在另一个例子中，Shcherbana等人(J.Indus.&Eng.Chem.,2016,第34卷,第292至299页)描述了使用乙二胺和四氯化碳作为氮源和碳源制备的不同N-掺杂碳的组成和吸附性能的对比研究。在又一个例子中，Vinu等人(RSC.Adv.,2015,第5页,(50),第40183至40192页)描述了使用SBA-15二氧化硅材料作为模板并分别使用乙二胺和四氯化碳作为氮源和碳源来合成具有高氮含量和受控形态的高度有序MCN。

许多上述催化剂的缺点在于，由于缺乏大量且可接近的N-H键，它们具有有限的表面积和化学反应性。这些缺陷使这些催化剂对CO₂的活化效率低。

发明内容

已经做出以下发现，其解决与用于CO₂活化和/或封存(sequestration)的碳氮化物材料相关的问题。该发现的前提是富氮介孔材料的制备，该富氮介孔材料包括基于三维(3D)C₃N₅ 3-氨基-1,2,4-三唑(3-AT)和尿素的介孔碳氮化物基质，该基质具有一系列根据所用的反应条件可调节的独特且有益的性质。这些性质包括0.55至0.8的原子碳氮比(C：N)、0.15毫摩尔/g至0.25毫摩尔/g的碱性含氮基团、170m²/g至250m²/g的表面积、0.2cm³g^-1至0.4cm³g^-1的孔体积、2nm至5nm的孔径，或其任何组合。介孔材料的进一步表征显示出高碱性的、良好有序的3D立方Ia3d对称介孔碳氮化物具有石墨孔壁和非常高的氮含量。不希望受理论束缚，这些性质的组合以及廉价和无毒前体的轻松制备使得本发明的介孔材料适用于广泛的应用(即，CO₂活化、大分子的吸收、催化、发光装置、光催化水裂解、作为储存材料、传感装置、太阳能电池等)。值得注意的是，本发明的介孔材料是用于CO₂活化和/或封存的优异催化剂。增强的CO₂活化或吸附是由于CO₂对介孔材料中NH和NH₂物质的可接近性。与其他三唑-胺化合物(例如乙二胺)相比，三唑尿素连接提供更多数量的NH和NH₂物质。