本发明涉及一种氮化碳/壳聚糖气凝胶复合光催化剂及其制备方法和应用，属于催化技术领域。

气凝胶是一种固体物质形态，也是世界上密度最小的固体材料。气凝胶是水凝胶或者有机凝胶干燥之后的产物，具有纳米级的多孔结构和高孔隙率等特点。这种结构上的特殊性也使其具有高比表面积，高孔隙率，低介电常数，低光折射率等性质，在众多领域都蕴藏着广泛的应用前景。

随着人类科学技术的发展，环境污染问题亟待解决。光催化反应，无需外加能源，只需利用太阳光就可以有效分解大分子污染物，将其转化为二氧化碳和水等对环境无害的小分子，是目前最有推广价值的环境问题处理方式。如何最大化光催化反应的效果，除了不断寻求新型光催化剂外，还需要对现有的光催化剂进行改性处理，尽可能提高其光催化反应活性。

氮化碳是近几年来较为热门的光催化剂材料，氮化碳常见的存在形式是石墨相多层结构，由碳、氮原子相互交替形成六元环，不同六元环之间通过C-C键相互连接形成的二维材料。氮化碳属于窄带隙半导体，禁带宽度为2.7eV，吸收边在450nm左右，对可见光有很好的响应。

技术实现要素：

本发明的目的是针对当前技术的不足，提供一种氮化碳/壳聚糖气凝胶复合光催化剂的制备方法，该制备方法在壳聚糖制备气凝胶的过程中就加入氮化碳纳米片状材料，氮化碳在凝胶形成过程中就均匀分散其中，保证分散的均一性。本发明工艺流程简单，原料来源丰富，氮化碳负载量大且分散均匀，有利于大规模生产；所得的氮化碳/壳聚糖气凝胶复合光催化剂对于染料试剂具有很强的光催化活性和吸附性，可以直接应用在工业化废水处理中。

本发明的技术方案为：

一种氮化碳/壳聚糖气凝胶复合光催化剂的制备方法，包括如下步骤：

(1)将壳聚糖溶于乙酸溶液中，搅拌10～20小时；其中，乙酸溶液的浓度为1～5v％，壳聚糖在乙酸溶液中的相对浓度为0.1～1wt％；

(2)将氮化碳分散在无水乙醇或去离子水中，超声处理15-24小时，50-60℃干燥，得到纳米片状氮化碳；

(3)将纳米片状氮化碳，戊二醛溶液置于步骤(1)中配置的壳聚糖溶液中并搅拌5～20min；每10mL壳聚糖溶液中加入0.01g～10g氮化碳、0.5～1mL戊二醛；

(4)将上步得到的混合液转移至容器中，在空气中老化10min～2h至形成凝胶；

(5)用去离子水浸泡清洗凝胶2～5次后，冷冻干燥过夜，即可得到上述氮化碳/壳聚糖气凝胶复合光催化剂。

所述步骤(4)中，每次对混合凝胶进行清洗时都要在水中浸泡8-16h，冷冻干燥前需要进行预冻处理20-24小时。

所述的氮化碳/壳聚糖气凝胶复合光催化剂的应用，用于光催化降解污水中的有机物。

所述的有机物为甲基橙或罗丹明。

本发明的有益效果为：

在本发明中，通过超声处理得到氮化碳纳米片，又将其均匀分散在壳聚糖气凝胶中，得到的复合光催化剂具有很大的比表面积，在光催化反应中具有更多的活性位点；气凝胶的结构特性导致其具有更低的光折射率，可以在光催化反应过程中吸收更多的可见光；气凝胶的多孔结构也可以在污水处理过程中吸附有机大分子，对污水处理起到辅助作用。在可将光的照射下，无需外加任何能源，本发明专利制备的光催化剂就可以对以甲基橙和罗丹明溶液为例的工业印染废水达到净化分解的效果，光照两小时染料大分子的降解率就可达到90％以上。有很强的工业推广应用价值。

附图说明

图1是使用实施例1中的参数制备的单纯气凝胶和氮化碳/壳聚糖气凝胶复合光催化剂的照片，其中图1a为单纯气凝胶的照片，图1b为氮化碳/壳聚糖气凝胶复合光催化剂。

图2是使用实施例1-3中制备的复合光催化剂对a)甲基橙，b)罗丹明B两种种染料试剂进行光催化降解的结果图，其中，图2a为对a)甲基橙降解的结果图，图2b)为对罗丹明B的降解结果图。

具体实施方式

以下结合具体实施例和附图来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。

除非特别说明，本发明所用试剂和材料均为市购。

实施例1：

取0.5g壳聚糖(普通市售物质)溶于100mL浓度为2v％的乙酸溶液中，搅拌均匀得到壳聚糖溶液；取20g氮化碳分散在100mL无水乙醇中，超声处理24小时后，在真空干燥箱中50℃干燥过夜得到分散的纳米片状氮化碳；取0.5g纳米片状氮化碳，0.8mL戊二醛溶液，和10mL壳聚糖溶液搅拌10min直至均匀；转移至模具中老化30min后完全形成凝胶；用去离子水浸泡清洗得到的凝胶3次，每次浸泡8小时；先在冰箱中预冷冻24小时后再在冷冻干燥机中冷冻干燥过夜，即可得到氮化碳/壳聚糖气凝胶复合光催化剂。

实施例2：

取1.0g壳聚糖溶于100mL浓度为1v％的乙酸溶液中，搅拌均匀得到壳聚糖溶液；取20g氮化碳分散在100mL无水乙醇中，超声处理24小时后，在真空干燥箱中50℃干燥过夜得到分散的纳米片状氮化碳；取1.0g纳米片状氮化碳，0.6mL戊二醛溶液，和10mL壳聚糖溶液搅拌8min直至均匀；转移至模具中老化20min后完全形成凝胶；用去离子水浸泡清洗得到的凝胶3次，每次浸泡8小时；先在冰箱中预冷冻24小时后再在冷冻干燥机中冷冻干燥过夜，即可得到氮化碳/壳聚糖气凝胶复合光催化剂。

实施例3：

取1.0g壳聚糖溶于100mL浓度为5v％的乙酸溶液中，搅拌均匀得到壳聚糖溶液；取20g氮化碳分散在100mL无水乙醇中，超声处理24小时后，在真空干燥箱中50℃干燥过夜得到分散的纳米片状氮化碳；取5g纳米片状氮化碳，1.5mL戊二醛溶液，和20mL壳聚糖溶液搅拌8min直至均匀；转移至模具中老化30min后完全形成凝胶；用去离子水浸泡清洗得到的凝胶3次，每次浸泡8小时；先在冰箱中预冷冻24小时后再在冷冻干燥机中冷冻干燥过夜，即可得到氮化碳/壳聚糖气凝胶复合光催化剂。

对比例1：

取0.5g壳聚糖溶于100mL浓度为2v％的乙酸溶液中，搅拌均匀得到壳聚糖溶液；取20g氮化碳分散在100mL无水乙醇中，超声处理24小时后，在真空干燥箱中50℃干燥过夜得到分散的纳米片状氮化碳；取0.5g纳米片状氮化碳，0.1mL戊二醛溶液，和10mL壳聚糖溶液搅拌10min直至均匀；转移至模具中老化，超过24小时也只有少部分凝胶形成。证明凝胶剂量太少并不能顺利形成凝胶。

对比例2：

取0.5g壳聚糖溶于100mL浓度为2v％的乙酸溶液中，搅拌均匀得到壳聚糖溶液；取20g氮化碳分散在100mL无水乙醇中，超声处理24小时后，在真空干燥箱中50℃干燥过夜得到分散的纳米片状氮化碳；取0.5g纳米片状氮化碳，3mL戊二醛溶液，和10mL壳聚糖溶液搅拌10min，在搅拌过程中就迅速形成凝胶，氮化碳还没有来得及均匀分散在凝胶结构内。证明凝胶剂量太多会导致凝胶速度过快，氮化碳很难分散在凝胶之中，因而后面得到的气凝胶结构内也不能均匀分散氮化碳。

对比例3：

取0.5g壳聚糖溶于100mL浓度为2v％的乙酸溶液中，搅拌均匀得到壳聚糖溶液；取20g氮化碳分散在100mL无水乙醇中，超声处理24小时后，在真空干燥箱中50℃干燥过夜得到分散的纳米片状氮化碳；取0.5g纳米片状氮化碳，0.8mL戊二醛溶液，和10mL壳聚糖溶液搅拌10min直至均匀；转移至模具中老化30min后完全形成凝胶；用去离子水浸泡清洗得到的凝胶3次，每次浸泡8小时；在鼓风干燥箱中40℃烘干过夜，得到的物质是黄色块状，并没有预期片层状的疏松结构。因此冷冻干燥在制备氮化碳/壳聚糖气凝胶复合光催化剂的过程中也是必不可少的。

通过图2可以看出制备的复合光催化剂有着疏松多孔的宏观结构，前期可以对染料大分子进行吸附，当达到吸附平衡时，在可见光照射下，其对染料试剂也有很好的光催化降解效果。在前期的暗反应吸附过程，该复合光催化剂具有疏松多孔的结构可以吸附部分有机污染物，当达到吸附平衡时，在可将光的照射下，无需外加任何能源，本发明专利制备的光催化剂就可以对以甲基橙和罗丹明溶液为例的工业印染废水达到净化分解的效果，光照两小时染料大分子的降解率就可达到90％以上，有很强的工业推广应用价值。

光催化降解的测试条件为：分别配制浓度为10mg/L的甲基橙溶液和罗丹明B溶液，向光催化反应器中加入150mL染料溶液后，再加入0.1g制备的光催化剂，整个反应过程使用磁力搅拌持续搅拌。暗反应过程是将反应体系置于暗室中，研究光催化剂的吸附性能；光催化过程使用氙灯模拟太阳光进行照射。每10min(暗反应)或20min(光催化过程)取一次溶液进行检测，离心后在紫外-可见分光光度计中测量溶液的吸光度，用来衡量其降解程度。

本发明未尽事宜为公知技术。