[发明专利]一种一维纳米棒状氮化碳光催化剂的制备方法及其在光催化氧化单糖合成乳酸中的应用

说明书

本发明属于光催化合成领域，公开了一种一维纳米棒状氮化碳(HCN)光催化剂的制备方法及其在光催化氧化单糖合成乳酸中的应用，制备方法为：将可溶性含氮类化合物前驱体与一维线状纳米纤维素分散于水中，然后通过冷冻干燥、煅烧，最后将煅烧后的样品与双氧水水热处理，得到结构中引入氧原子和氮空位的一维纳米棒状氮化碳材料(HCN)材料。将所制备的HCN光催化剂、单糖和碱性溶液混合，在可见光光照下催化氧化单糖合成乳酸。本发明制备催化剂的方法具有较好的普适性，不仅前躯体来源广泛，同时底物选择具有多样性，同时活性高、热稳定好及可循环使用等优点，相比于传统的热催化和酶催化，该方法能绿色、接近常温的情况下，快速地合成乳酸。

技术领域

本发明属于光催化合成领域，特别涉及一种一维纳米棒状氮化碳(HCN) 光催化剂的制备方法及其在光催化氧化单糖合成乳酸中的应用。

背景技术

随着人类社会的发展，能源和资源的短缺日益凸显，同时大量使用不可再生的能源带来的气候和环境问题也愈发严重。发展低碳绿色循环经济成为当今社会的主流。生物质作为唯一的可再生的碳源，具有来源丰富、可生物降解等优点，已经成为可替代化石能源的选择之一。木质纤维是最重要的生物质来源，木质纤维的转化利用对于解决当下的能源和环境问题具有重大意义。木质纤维的三大组分分别为纤维素、半纤维素和木质素，其中纤维素和半纤维素是以单糖为结构单元的生物基高分子聚合物，其中葡萄糖含量排第一，木糖排第二。以木糖为代表的单糖，可被转化为多种高值平台化学品，如糖酸、糠醛、乳酸等，在化工、医疗、农业及食品等领域有广泛的应用。因此对以木糖为代表的生物质基单糖进行高值化转化和利用是我国实现“碳达峰”和“碳中和”的重要手段和途径。

乳酸(LA)又名α-羟基-丙酸，是一种同时具有羟基和羧基的有机酸，是一种多功能平台化学品，在化工、医药、食品及日化行业有广泛的应用。同时乳酸还是合成聚乳酸(PLA)的主要原料，聚乳酸是一种环境友好型生物基可降解材料，目前已经广泛应用于包装、医疗、纺织等领域。聚乳酸的产能也处于一个爆炸式的增长阶段，据欧洲生物塑料协会的统计数据显示，2019年，全球聚乳酸产能约27.13万吨；2020年，产能增长至39.48万吨。因此，发展一种大量、高效、绿色的方法合成乳酸具有重大意义。

目前，乳酸的合成方法主要是化学法和生物法。乳酸是某些生物新陈代谢的产物，因此生物法主要包括酶催化法和发酵法，通过生物酶催化碳水化合物水解得到乳酸。该方法虽然原料来源广泛，但是存在反应周期长、产率低、能耗高、乳酸提纯困难、酶无法回收利用等难题。化学法合成乳酸，主要是通过热催化的方法通过催化氧化糖类得到。化学法合成具有产物易分离、反应速率高等优点，但是因其反应温度高及需要特制的高压容器，一定程度上限制了其工业化应用。因此，开发一种绿色、温和的方法合成乳酸成为工业界努力探索的目标之一。光催化氧化技术，是一种以太阳光作为能源的绿色反应技术，具有反应条件温和、催化剂易回收、能耗低、反应速率、选择性高高等优点，目前已经广泛应用于有机污染物降解、病毒灭杀及有机合成等领域。将光催化氧化技术应用于单糖选择性氧化合成乳酸，将为乳酸的绿色高效合成提供一条新的途径。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种一维纳米棒状氮化碳光催化剂的制备方法。

本发明另一目的在于提供上述方法制备的一维纳米棒状氮化碳光催化剂。

本发明再一目的在于提供上述一维纳米棒状氮化碳光催化剂在光催化氧化单糖合成乳酸中的应用。

本发明的目的通过下述方案实现：

一种一维纳米棒状氮化碳光催化剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)将含氮类化合物前驱体与纳米纤维素(CNF)水分散液分散于水中，然后超声，使含氮类化合物前驱体充分溶解，最后将所得液体干燥，得到混合物；

(2)将步骤(1)中干燥后的混合物进行煅烧，结束后自然冷却到室温，得到含无定形碳的氮化碳光催化剂；