綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)：氮化碳納米復(fù)合材料的制備及研究*

馮 勇，尹國(guó)杰，高亞輝，許艷杰，張少文

(洛陽(yáng)理工學(xué)院環(huán)境工程與化學(xué)學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471023)

為了提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)的前沿性和探索性，培養(yǎng)學(xué)生綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛣?chuàng)新能力，提高應(yīng)用型人才培養(yǎng)質(zhì)量，設(shè)計(jì)了“氮化碳納米復(fù)合材料的制備及研究”綜合性實(shí)驗(yàn)。氮化碳(g-C3N4)是一種由碳、氮兩種元素通過(guò)sp2雜化形成的具有大π鍵共軛體系的二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)新型納米材料，比表面積大、熱穩(wěn)定性好、制備簡(jiǎn)單[1-2]。近年來(lái)，以g-C3N4為功能單體的納米復(fù)合材料在固相萃取領(lǐng)域展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景[3-4]。苯并芘(Benzopyrene， BaP)是典型的多環(huán)芳烴污染物，具有致癌、致畸、致突變效應(yīng)，在環(huán)境等介質(zhì)中廣泛存在，危害性較強(qiáng)[5]。但是，環(huán)境樣品基質(zhì)復(fù)雜，分析對(duì)象含量低，準(zhǔn)確定量檢測(cè)困難，因此需對(duì)樣品進(jìn)行萃取、富集等前處理。一般常用方法有固相萃取、固相微萃取、磁固相萃取等，其中固相萃取因操作簡(jiǎn)便、快速高效等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用[6-7]。

本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目以三聚氰胺(C3H6N6)為前驅(qū)體制備g-C3N4/SiO2新型納米復(fù)合材料，并利用紅外光譜對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。以此為固相萃取介質(zhì)，典型多環(huán)芳烴BaP為分析對(duì)象，結(jié)合高效液相色譜對(duì)其萃取性能進(jìn)行應(yīng)用研究。此綜合實(shí)驗(yàn)以科學(xué)前沿材料的制備和應(yīng)用為實(shí)驗(yàn)探究重點(diǎn)，涉及化學(xué)合成、材料表征、污染物分析檢測(cè)等多個(gè)學(xué)科知識(shí)，適用于應(yīng)用化學(xué)及相關(guān)專(zhuān)業(yè)高年級(jí)本科生。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及教學(xué)目標(biāo)

要求學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前查閱材料制備與檢驗(yàn)方法、污染物性質(zhì)與危害，以及高效液相色譜技術(shù)等相關(guān)文獻(xiàn)，具體了解g-C3N4結(jié)構(gòu)與制備應(yīng)用；掌握紅外光譜、高效液相色譜等儀器原理與操作。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要包括g-C3N4/SiO2納米復(fù)合材料的制備與表征、萃取條件優(yōu)化、高效液相色譜分析等，具體實(shí)驗(yàn)流程如 圖1所示。主要教學(xué)目標(biāo)是綜合考察學(xué)生材料制備及儀器分析等相關(guān)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)及實(shí)驗(yàn)操作技能，提高學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐與知識(shí)應(yīng)用能力。

圖1 實(shí)驗(yàn)流程圖Fig.1 Flow chart of the experiment

2 實(shí)驗(yàn)儀器和試劑

儀器：安捷倫1260 Infinity高效液相色譜儀，美國(guó)安捷倫科技有限公司；紅外光譜儀，德國(guó) Bruker公司；101型電熱鼓風(fēng)干燥箱，北京市永光明醫(yī)療儀器有限公司；電子分析天平等。

試劑：三聚氰胺(分析純)，天津市德恩化學(xué)試劑有限公司；苯并芘(色譜純)，Sigma-Aldrich；甲醇、乙醇(分析純)，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；乙腈、丙酮、二氯甲烷、正己烷(分析純)，天津市德恩化學(xué)試劑有限公司；二氧化硅，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；實(shí)驗(yàn)用水為實(shí)驗(yàn)室自制去離子水。

3 實(shí)驗(yàn)部分

3.1 g-C3N4/SiO2納米復(fù)合材料的制備與表征

g-C3N4的制備：準(zhǔn)確稱(chēng)取5 g三聚氰胺于坩堝中，放入馬弗爐550 ℃保持1 h，既得g-C3N4；g-C3N4@SiO2的制備：準(zhǔn)確稱(chēng)取5 g三聚氰胺和5 g二氧化硅于研缽中研磨均勻，轉(zhuǎn)移至坩堝，放入馬弗爐550 ℃保持1 h，既得g-C3N4@SiO2。

利用紅外光譜儀，對(duì)新制得g-C3N4及g-C3N4@SiO2進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征，考察g-C3N4在SiO2表面的負(fù)載情況。

3.2 BaP標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制

準(zhǔn)確稱(chēng)取0.1 g BaP標(biāo)準(zhǔn)品于燒杯中，加入10 mL甲醇溶解后轉(zhuǎn)移至100 mL容量瓶中，甲醇定容既得1 μg/mL BaP標(biāo)準(zhǔn)溶液。4 ℃保存?zhèn)溆茫鶕?jù)后續(xù)需要進(jìn)行稀釋。

3.3 固相萃取步驟

準(zhǔn)確稱(chēng)取g-C3N4/SiO2納米復(fù)合材料100 mg，勻漿法裝入3 mL空管萃取柱，制得固相萃取柱。優(yōu)化后萃取實(shí)驗(yàn)步驟：首先用甲醇、水依次活化萃取柱，然后取10 mL樣品溶液上樣，速率1 mL/min。再以2 mL丙酮對(duì)富集的分析對(duì)象進(jìn)行解析，速率1 mL/min。解析液用氮?dú)獯蹈桑?.1 mL甲醇復(fù)溶后進(jìn)行高效液相色譜分析。

3.4 色譜條件

色譜柱：Agilent Zorbax SB-C18色譜柱(25 cm × 4.6 mm， 5 μm)，柱溫：30 ℃，流速：1.0 mL/min，紫外檢測(cè)波長(zhǎng)： 254 nm； 進(jìn)樣量：20 μL； 流動(dòng)相為甲醇。

4 結(jié)果與討論

4.1 g-C3N4/SiO2納米復(fù)合材料的表征

利用紅外光譜儀對(duì)SiO2(a)、g-C3N4(b)、g-C3N4/SiO2(c)材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，結(jié)果如圖2所示。1080 cm-1和3450 cm-1處兩個(gè)較寬的吸收峰分別為Si-O-Si和Si-OH的特征峰；800 cm-1處為g-C3N4三嗪?jiǎn)卧奈辗澹?230-1640 cm-1處的吸收峰為CN雜環(huán)中C-N和C=N的伸縮振動(dòng)峰。以上分析表明 g-C3N4在SiO2表面已成功負(fù)載。

圖2 SiO2(a)、g-C3N4(b)、g-C3N4/SiO2(c)紅外光譜圖Fig.2 The IR spectra of SiO2(a)， g-C3N4(b)， g-C3N4 /SiO2(c)

4.2 萃取條件優(yōu)化

實(shí)驗(yàn)以0.1 μg/L 的BaP標(biāo)準(zhǔn)溶液為研究對(duì)象，高效液相色譜響應(yīng)峰面積為評(píng)價(jià)依據(jù)，分別考察上樣溶劑、洗脫溶劑、洗脫體積對(duì)萃取效率的影響。

4.2.1 上樣溶劑的選擇

固相萃取過(guò)程是目標(biāo)物在上樣溶劑和萃取介質(zhì)之間平衡分配的過(guò)程，上樣溶劑的選擇對(duì)萃取效果有直接的影響。根據(jù)“相似相溶”基本原則，分別選取極性不同的甲醇/水(1:9，V/V)、甲醇/水(5:5，V/V)、甲醇/水(7:3，V/V)、乙腈、正己烷、二氯甲烷為上樣溶劑進(jìn)行萃取實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖3所示。當(dāng)上樣溶劑為甲醇/水(1:9，V/V)時(shí)，色譜響應(yīng)的峰面積達(dá)到最大，說(shuō)明此時(shí)制備材料的萃取效果最佳，因此選取甲醇/水(1:9，V/V)為上樣溶劑。

圖3 上樣溶劑對(duì)萃取效率的影響Fig.3 Effect of sample solvent on extraction efficiency

4.2.2 洗脫溶劑的選擇

洗脫過(guò)程是洗脫溶劑與萃取介質(zhì)之間爭(zhēng)奪目標(biāo)分析物的過(guò)程，因此實(shí)驗(yàn)以甲醇/水(1:9，V/V)為上樣溶劑，選取極性不同的甲醇、乙腈、丙酮、二氯甲烷、正己烷為洗脫溶劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖4。當(dāng)以丙酮為洗脫溶劑時(shí)，色譜峰面積達(dá)到最大，故選取丙酮為最佳洗脫溶劑。

圖4 洗脫溶劑對(duì)萃取效率的影響Fig.4 Effect of elution solvent on extraction efficiency

4.2.3 洗脫體積的選擇

洗脫體積的選擇也是提高效率，實(shí)現(xiàn)有效富集的關(guān)鍵。實(shí)驗(yàn)分別考察了0.5 mL、1 mL、1.5 mL、2 mL、2.5 mL洗脫劑的富集效果，如圖5所示。當(dāng)洗脫體積為2 mL和2.5 mL時(shí)峰面積最大。綜合考慮，最終選取洗脫體積為2 mL。

優(yōu)化后的萃取操作條件：首先以甲醇、水對(duì)固相萃取柱進(jìn)行活化，甲醇/水(1:9，V/V)為溶劑上樣10 mL，2 mL丙酮解析，速率1 mL/min。解析液經(jīng)氮?dú)獯蹈珊螅?.1 mL甲醇復(fù)溶進(jìn)行液相色譜分析。圖6為0.1 μg/L 的BaP標(biāo)準(zhǔn)溶液未經(jīng)萃取(a)與萃取后(b)進(jìn)樣的色譜圖比較。g-C3N4/SiO2材料與BaP之間較強(qiáng)的π-π相互作用、疏水相互作用使其對(duì)BaP表現(xiàn)出高效的萃取、富集性能，具有良好的應(yīng)用前景和研究?jī)r(jià)值。

圖6 BaP標(biāo)準(zhǔn)溶液萃取前(a)后(b)色譜圖Fig.6 Chromatograms of BaP standard solution before (a)and after (b)extraction

5 結(jié) 語(yǔ)

介紹了一個(gè)新型納米復(fù)合材料g-C3N4/SiO2的制備及富集性能探究的綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)，包括材料制備、表征、固相萃取條件優(yōu)化及高效液相色譜分析等內(nèi)容。通過(guò)多種分析儀器及方法的應(yīng)用，加深學(xué)生對(duì)分析儀器原理及應(yīng)用的理解和掌握，拓展學(xué)生對(duì)科學(xué)前沿材料的了解，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，提升科研素養(yǎng)和綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>