綜合化學實驗：氮化碳納米復合材料的制備及研究*

馮 勇，尹國杰，高亞輝，許艷杰，張少文

(洛陽理工學院環(huán)境工程與化學學院，河南 洛陽 471023)

為了提升實驗教學的前沿性和探索性，培養(yǎng)學生綜合實驗能力和創(chuàng)新能力，提高應用型人才培養(yǎng)質(zhì)量，設計了“氮化碳納米復合材料的制備及研究”綜合性實驗。氮化碳(g-C3N4)是一種由碳、氮兩種元素通過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)構新型納米材料，比表面積大、熱穩(wěn)定性好、制備簡單[1-2]。近年來，以g-C3N4為功能單體的納米復合材料在固相萃取領域展現(xiàn)出良好的應用前景[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，在環(huán)境等介質(zhì)中廣泛存在，危害性較強[5]。但是，環(huán)境樣品基質(zhì)復雜，分析對象含量低，準確定量檢測困難，因此需對樣品進行萃取、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便、快速高效等優(yōu)點被廣泛應用[6-7]。

本實驗項目以三聚氰胺(C3H6N6)為前驅(qū)體制備g-C3N4/SiO2新型納米復合材料，并利用紅外光譜對其結(jié)構進行表征。以此為固相萃取介質(zhì)，典型多環(huán)芳烴BaP為分析對象，結(jié)合高效液相色譜對其萃取性能進行應用研究。此綜合實驗以科學前沿材料的制備和應用為實驗探究重點，涉及化學合成、材料表征、污染物分析檢測等多個學科知識，適用于應用化學及相關專業(yè)高年級本科生。

1 實驗設計及教學目標

要求學生在實驗前查閱材料制備與檢驗方法、污染物性質(zhì)與危害，以及高效液相色譜技術等相關文獻，具體了解g-C3N4結(jié)構與制備應用；掌握紅外光譜、高效液相色譜等儀器原理與操作。

實驗內(nèi)容主要包括g-C3N4/SiO2納米復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，具體實驗流程如 圖1所示。主要教學目標是綜合考察學生材料制備及儀器分析等相關專業(yè)基礎知識及實驗操作技能，提高學生動手實踐與知識應用能力。

圖1 實驗流程圖Fig.1 Flow chart of the experiment

2 實驗儀器和試劑

儀器：安捷倫1260 Infinity高效液相色譜儀，美國安捷倫科技有限公司；紅外光譜儀，德國 Bruker公司；101型電熱鼓風干燥箱，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)，天津市德恩化學試劑有限公司；苯并芘(色譜純)，Sigma-Aldrich；甲醇、乙醇(分析純)，國藥集團化學試劑有限公司；乙腈、丙酮、二氯甲烷、正己烷(分析純)，天津市德恩化學試劑有限公司；二氧化硅，國藥集團化學試劑有限公司；實驗用水為實驗室自制去離子水。

3 實驗部分

3.1 g-C3N4/SiO2納米復合材料的制備與表征

g-C3N4的制備：準確稱取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：準確稱取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，對新制得g-C3N4及g-C3N4@SiO2進行結(jié)構表征，考察g-C3N4在SiO2表面的負載情況。

3.2 BaP標準溶液的配制

準確稱取0.1 g BaP標準品于燒杯中，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標準溶液。4 ℃保存?zhèn)溆茫鶕?jù)后續(xù)需要進行稀釋。

3.3 固相萃取步驟

準確稱取g-C3N4/SiO2納米復合材料100 mg，勻漿法裝入3 mL空管萃取柱，制得固相萃取柱。優(yōu)化后萃取實驗步驟：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丙酮對富集的分析對象進行解析，速率1 mL/min。解析液用氮氣吹干，0.1 mL甲醇復溶后進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，紫外檢測波長： 254 nm； 進樣量：20 μL； 流動相為甲醇。

4 結(jié)果與討論

4.1 g-C3N4/SiO2納米復合材料的表征

利用紅外光譜儀對SiO2(a)、g-C3N4(b)、g-C3N4/SiO2(c)材料結(jié)構進行表征，結(jié)果如圖2所示。1080 cm-1和3450 cm-1處兩個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-C3N4三嗪單元的吸收峰，1230-1640 cm-1處的吸收峰為CN雜環(huán)中C-N和C=N的伸縮振動峰。以上分析表明 g-C3N4在SiO2表面已成功負載。

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

實驗以0.1 μg/L 的BaP標準溶液為研究對象，高效液相色譜響應峰面積為評價依據(jù)，分別考察上樣溶劑、洗脫溶劑、洗脫體積對萃取效率的影響。

4.2.1 上樣溶劑的選擇

固相萃取過程是目標物在上樣溶劑和萃取介質(zhì)之間平衡分配的過程，上樣溶劑的選擇對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行萃取實驗，結(jié)果如圖3所示。當上樣溶劑為甲醇/水(1:9，V/V)時，色譜響應的峰面積達到最大，說明此時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

洗脫過程是洗脫溶劑與萃取介質(zhì)之間爭奪目標分析物的過程，因此實驗以甲醇/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行實驗，結(jié)果見圖4。當以丙酮為洗脫溶劑時，色譜峰面積達到最大，故選取丙酮為最佳洗脫溶劑。

圖4 洗脫溶劑對萃取效率的影響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，實現(xiàn)有效富集的關鍵。實驗分別考察了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。當洗脫體積為2 mL和2.5 mL時峰面積最大。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、水對固相萃取柱進行活化，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)氮氣吹干后，0.1 mL甲醇復溶進行液相色譜分析。圖6為0.1 μg/L 的BaP標準溶液未經(jīng)萃取(a)與萃取后(b)進樣的色譜圖比較。g-C3N4/SiO2材料與BaP之間較強的π-π相互作用、疏水相互作用使其對BaP表現(xiàn)出高效的萃取、富集性能，具有良好的應用前景和研究價值。

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

5 結(jié) 語

介紹了一個新型納米復合材料g-C3N4/SiO2的制備及富集性能探究的綜合化學實驗，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。通過多種分析儀器及方法的應用，加深學生對分析儀器原理及應用的理解和掌握，拓展學生對科學前沿材料的了解，激發(fā)學習興趣，提升科研素養(yǎng)和綜合實驗能力。