[发明专利]一种超分子自组装PDI纳米材料的制备方法

说明书

本发明属于能源、材料制备技术领域，特别涉及一种超分子自组装PDI纳米材料的制备方法，用于光催化降解污染物。本发明通过使用过渡金属单原子锚定在氮杂石墨烯上作助催化剂从而加快PDI材料光生载流子分离效率，进而改善其光催化降解环境水体酚类污染物性能。

技术领域

本发明属于能源、材料制备技术领域，特别涉及一种超分子自组装PDI纳米材料的制备方法，用于光催化降解污染物。

背景技术

近年来，在环境科学领域，使用环保，经济的光催化技术降解污染物已被认为是一种有前途的策略。目前，传统的无机半导体光催化剂具有成本高，环境毒性大，结构可控性差，效率低等缺点，极大地限制了其实际应用。因此，开发具有高效、低成本、无毒的新型光催化剂至关重要。

有机材料由于其化学可调节的光学和电子性能，多样的结构灵活性，低成本以及多样且简易的合成方法而受到广泛关注。在有机材料中，苝酰亚胺(PDI)及其衍生物作为经典的n型有机半导体，由于其独特的光电性能和出色的光热稳定性而受到国内外学者的广泛关注，目前已被广泛用于污染物降解，产氧，治疗癌症等方向。最近的研究表明，基于PDI的光催化材料具有较高的HOMO能级和强氧化活性物质(·O^2–，¹O₂，h⁺)，因此在环境有机污染物净化领域具有广阔的应用前景。然而，由于其低的比表面积和光生电子-空穴对的高复合率，PDI的光催化活性受到很大限制。通过在PDI自组装过程中引入助催化剂能有效提高其光生载流子迁移效率，从而提高其光催化性能。

当前，Pt和Pt基被认为是最有效的助催化剂，但是它们的高成本和低地球储量严重限制了它们的实际应用。因此，迫切需要探索具有优异性能的非贵金属助催化剂。迄今为止，已经构筑了许多高性能和低成本的非贵金属助催化剂。其中，过渡金属因其丰富的地球储量(Fe，Co，Ni)已被证明是最有前途的非贵金属助催化剂。然而，过渡金属纳米颗粒容易发生聚集，从而严重影响其性能。最近有工作证实了氮杂石墨烯能有效避免金属发生团聚，将金属单原子锚定在氮杂石墨烯上被视为一种能媲美Pt基的助催化剂。

因此，本发明通过快速简单的溶剂分散方法，使PDI在单原子锚定的氮杂石墨烯上发生原位自组装，形成复合光催化剂，进一步研究其光催化降解污染物的能力。

发明内容

本发明涉及一种过渡金属单原子修饰改性的超分子自组装PDI纳米材料的制备方法，通过使用过渡金属单原子锚定在氮杂石墨烯上作助催化剂从而加快PDI材料光生载流子分离效率，进而改善其光催化降解环境水体酚类污染物性能。

本发明提出的过渡金属单原子修饰改性的超分子自组装PDI纳米材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将氧化石墨烯加入到去离子水中超声混合均匀得到混合溶液1，加入过渡金属盐溶液，超声至过渡金属盐在混合溶液1中均匀分散，在液氮中使溶液迅速冷冻，然后在冷冻干燥机内进行冷冻干燥处理。

上述氧化石墨烯与去离子水和过渡金属盐溶液比例为：80-100mg；40-50mL:1-3mL，所述过渡金属盐溶液的浓度为1-5mg/mL。所述冷冻干燥处理温度为-10--50℃，冷冻干燥处理时间为24-48h，压力为高度真空1.3-13Pa。

(2)将步骤(1)冷冻干燥处理所得样品放入管式炉，在氩气和氨气氛围下750℃煅烧1h，升温速率为12℃/min，得到过渡金属单原子锚定的氮杂石墨烯。

上述氩气的流量为160-170mL/min，氨气的流量为60-70mL/min。

(3)将PDI溶于无水乙醇溶液中得到混合溶液2，用移液枪移取三乙醇胺加入到混合溶液2中，超声使PDI均匀溶解，并在超声的条件下，将步骤(2)中所得的过渡金属单原子锚定的氮杂石墨烯加入到混合溶液中，再进行超声处理使PDI和过渡金属单原子锚定的氮杂石墨烯混合均匀，滴加盐酸，搅拌至样品析出。