CN103214878A

CN103214878A - 一种石墨型氮化碳-离子液体复合材料及其制备方法

Info

Publication number: CN103214878A
Application number: CN2013101115811A
Authority: CN
Inventors: 许晖; 李华明; 颜佳; 徐远国; 夏杰祥; 宋艳华; 尹盛; 王程
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2013-04-02
Filing date: 2013-04-02
Publication date: 2013-07-24
Anticipated expiration: 2033-04-02
Also published as: CN103214878B

Abstract

本发明提供一种石墨型氮化碳-离子液体复合材料及其制备方法，该方法的主要步骤为将石墨型氮化碳加入到离子液体中，通过水热反应处理，使得石墨型氮化碳均匀分散于体系中，得到凝胶状物材料。本发明的主要特点为：1）采用绿色环保型离子液体；2）离子液体并不会引起石墨型氮化碳共轭结构的破坏，能够保持其优异的理化性质；3）该种修饰石墨型氮化碳的方法简单，无需另外加入其他溶剂、试剂。本发明的石墨型氮化碳分散方法简单易行，石墨型氮化碳可均匀分散且稳定性好。

Description

一种石墨型氮化碳-离子液体复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种石墨型氮化碳分散方法，具体涉及一种石墨型氮化碳-离子液体复合材料及其制备方法。

背景技术

石墨型C₃N₄材料由于其卓越的催化、力学、电学性能而倍受青睐。特别是，石墨型C₃N₄由于其特殊的半导体性质、高稳定性、无毒性、易制备等特点，作为非金属型材料广泛应用于环境保护和能源利用领域，包括：光解水制氢、光催化降解环境有机污染物、CO₂的活化和苯的氧化。同时，石墨型氮化碳具有较好的电子传导功能，被认为是基体半导体催化剂良好的杂化材料，在石墨型氮化碳作用下，可改善复合材料的催化、光学和电学性能。然而，由于石墨型氮化碳层间的范德华力和π-π相互作用，使得它们溶解性很差，在水及多数有机溶剂中易团聚成块，这不仅极大地限制了对其性质的研究，而且阻碍了它们的实际应用。因此寻找分散石墨型氮化碳的有效溶剂是石墨型氮化碳迈向实际应用的关键所在。

离子液体是室温或接近室温下呈液态、纯粹由离子组成的物质，又称室温熔盐，是一类物理化学性质优良的绿色溶剂、催化剂及复合功能材料。目前，研究表明，离子液体作为绿色溶剂的研究引起人们的关注。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种石墨型氮化碳-离子液体复合材料及其制备方法，利用离子液体优良的特性，实现石墨型氮化碳在离子液体中的良好分散，得到石墨型氮化碳-离子液体复合材料。

为达到发明的目的，本发明所采取的技术方案是：

一种石墨型氮化碳-离子液体复合材料，复合材料包括按照质量分数计的10-90%石墨型氮化碳和10-90%离子液体。

所述离子液体通式为A⁺B^-，其中通式中A⁺阳离子为烷基咪唑离子，如下列式

Ⅰ所示：

Ⅰ

Figure 2013101115811100002DEST_PATH_IMAGE001

式Ⅰ中：R₁、R₃为C1～C16的烷基链中的一种。

B^-为阴离子，为Cl、Br、或I^-。

优选的，复合材料包括按照质量分数计的20-25%石墨型氮化碳和75-80%离子液体。

以及，一种石墨型氮化碳-离子液体复合材料的制备方法，其包括如下步骤：

步骤a：获得石墨型氮化碳：将二氰二胺、三聚氰胺、尿素或硫脲放入坩埚中，置于管式炉中进行煅烧，在N₂气氛下温度保持在450℃-650℃，反应时间为2-6 h；合成石墨型氮化碳的前躯体原料优选二氰二胺。

步骤b：形成石墨型氮化碳和离子液体的混合体系：将上述合成的石墨型氮化碳按照与离子液体的质量比1：9~9：1加入到含离子液体的去离子水溶液中，搅拌、超声分散至混合均匀，形成石墨型氮化碳和离子液体的混合体系。

步骤c：将步骤b所得的混合液体放入聚四氟反应釜中，置于烘箱中，于140-200℃水热反应12 h-24 h，反应结束后，冷却至室温，得到石墨型氮化碳-离子液体复合材料。

所述氮化碳和离子液体的质量之和与去离子水中的质量之比为：1：10。

本发明的有益效果在于：离子液体可以掺杂到石墨型氮化碳层间，破坏石墨型氮化碳间的范德华力和π-π相互作用，减少层与层之间的干扰，降低其聚集度，使得石墨型氮化碳在离子液体达到均匀分散的作用；该方法简单易行、绿色环保，在反应体系中无需加入其他有机溶剂。

附图说明

图1为本发明的石墨型氮化碳-离子液体复合材料的制备方法图；

图2为扫描电子显微镜观察到的石墨型氮化碳-离子液体复合材料。

具体实施方式

为了进一步说明本发明，结合实例对本发明进行详细描述，但本发明的保护范围并不仅限与此：

实例1

本实例提供的一种石墨型氮化碳-离子液体复合材料的制备方法，其流程图如图1所示，包含步骤如下：

称取2 g 二氰二胺置于氧化铝坩埚中，放置于管式炉内，在氮气条件下，程序升温至350℃保温2 h，再将温度升至550℃，煅烧2 h，得到黄色粉末石墨型氮化碳材料。

将上述合成的石墨型氮化碳材料0.2 g与0.7 g氯化1-十六烷基-3-甲基咪唑混合，并加入10 ml去离子水，搅拌2 h、超声分散至混合均匀，放于聚四氟乙烯反应釜中，于200℃水热反应24 h，得到黄色凝胶状物质；同水溶液与石墨型氮化碳混合形成固液两相分层所不同的是，上述合成方法得到的材料为均一、透明的凝胶状物质。

对所述的复合材料用扫描电子显微镜(SEM)进行表征分析，如图2所示。图中可以发现，制备的复合材料形貌规整、均一，尺寸大小在50-80 nm。

对所述的复合材料进行IR、XRD等分析。IR研究发现，杂化在1242 cm^-1，1322 cm^-1，1412 cm^-1，1563 cm^-1，和1634 cm^-1处出现，这对应于典型的C=N和C-N伸缩振动；此外，三嗪结构的特征的吸收峰在807 cm^-1也可以发现；同时，氯化1-十六烷基-3-甲基咪唑离子液体的红外吸收峰也在IR表征分析中出现，说明合成的材料为石墨型氮化碳-离子液体复合材料；XRD分析发现，复合材料在2θ=27.4°出现明显衍射峰，对应于(002)晶面。表明石墨型氮化碳的晶型结构并未改变。

实例2

本实例提供的一种石墨型氮化碳-离子液体杂化材料的制备方法，其流程图如图1所示，包含步骤如下：

称取2g 二氰二胺置于氧化铝坩埚中，放置于管式炉内，在氮气条件下，程序升温至350℃保温2 h，再将温度升至550℃，煅烧2 h，得到黄色粉末石墨型氮化碳材料。

将上述合成的石墨型氮化碳材料0.2 g与0.8 g 溴化1-十六烷基-3-甲基咪唑盐混合，并加入10 ml去离子水，搅拌2 h，超声分散至混合均匀，放于聚四氟乙烯反应釜中，于180℃水热反应24 h，得到淡黄色凝胶状物质；同水溶液与石墨型氮化碳混合形成固液两相分层所不同的是，上述合成方法得到的材料为均一、透明的凝胶状物质。

对所述的复合材料进行IR、XRD等分析；IR研究发现，杂化在1242 cm^-1，1322 cm^-1，1412 cm^-1，1563 cm^-1，和1634 cm^-1处出现，这对应于典型的C=N和C-N伸缩振动；此外，三嗪结构的特征的吸收峰在807 cm^-1也可以发现；同时，溴化1-十六烷基-3-甲基咪唑离子液体的红外吸收峰也在IR表征分析中出现，说明合成的材料为石墨型氮化碳-离子液体复合材料；XRD分析发现，复合材料在2θ=27.4°出现明显衍射峰，对应于(002)晶面；表明石墨型氮化碳的晶型结构并未改变。

实例3

称取2 g 硫脲置于氧化铝坩埚中，放置于马弗炉内，在空气条件下，将温度升至550℃，煅烧4 h，得到石墨型氮化碳材料。

将上述合成的石墨型氮化碳材料0.2 g与0.6 g 碘化1-辛基-3-甲基咪唑混合，并加入8 ml去离子水，搅拌2 h，超声分散至混合均匀，放于聚四氟乙烯反应釜中，于160℃水热反应12 h，得到淡黄色凝胶状物质；同水溶液与石墨型氮化碳混合形成固液两相分层所不同的是，上述合成方法得到的材料为均一、透明的凝胶状物质。

对所述的复合材料进行IR、XRD等分析；IR研究发现，杂化在1242 cm^-1，1322 cm^-1，1412 cm^-1，1563 cm^-1，和1634 cm^-1处出现，这对应于典型的C=N和C-N伸缩振动；此外，三嗪结构的特征的吸收峰在808 cm^-1也可以发现；同时，碘化1-辛基-3-甲基咪唑离子液体的红外吸收峰也在IR表征分析中出现，说明合成的材料为石墨型氮化碳-离子液体复合材料；XRD分析发现，复合材料在2θ=27.36°出现明显衍射峰，对应于(002)晶面。表明石墨型氮化碳的晶型结构并未改变。

实例4

称取10 g 尿素置于氧化铝坩埚中，放置于马弗炉内(加盖)，在空气条件下，将温度升至600℃，煅烧4 h，得到石墨型氮化碳材料。

将上述合成的石墨型氮化碳材料0.2 g与0.8 g 氯化1-丁基-3-甲基咪唑混合，并加入10 ml去离子水，搅拌2 h，超声分散至混合均匀，放于聚四氟乙烯反应釜中，于180℃水热反应24 h，得到淡黄色凝胶状物质；同水溶液与石墨型氮化碳混合形成固液两相分层所不同的是，上述合成方法得到的材料为均一、透明的凝胶状物质。

对所述的杂化材料进行IR、XRD分析。对所述的复合材料进行IR、XRD等分析。IR研究发现，杂化在1242 cm^-1，1322 cm^-1，1412 cm^-1，1563 cm^-1，和1634 cm^-1处出现，这对应于典型的C=N和C-N伸缩振动；此外，三嗪结构的特征的吸收峰在807 cm^-1也可以发现；同时，氯化1-丁基-3-甲基咪唑离子液体的红外吸收峰也在IR表征分析中出现，说明合成的材料为石墨型氮化碳-离子液体复合材料；XRD分析发现，复合材料在2θ=27.4°出现明显衍射峰，对应于(002)晶面。表明石墨型氮化碳的晶型结构并未改变。

除以上实例外，本发明还可以有其他形式的实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种石墨型氮化碳-离子液体复合材料，其特征在于：所述复合材料包括按照质量分数计的10-90%石墨型氮化碳和10-90%离子液体；所述离子液体通式为A⁺B^-，其中通式中A⁺阳离子为烷基咪唑离子，如下列式Ⅰ所示：

Ⅰ

Figure 2013101115811100001DEST_PATH_IMAGE002

；

式Ⅰ中：R₁、R₃为C1～C16的烷基链中的一种；B^-为阴离子，为Cl、Br、或I^-。

2. 如权利要求1所述的一种石墨型氮化碳-离子液体复合材料，其特征在于：复合材料包括按照质量分数计的20-25%石墨型氮化碳和75-80%离子液体。

3.如权利要求1所述的一种石墨型氮化碳-离子液体复合材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤a：合成石墨型氮化碳：

步骤b：形成石墨型氮化碳和离子液体的混合体系：将上述合成的石墨型氮化碳按照与离子液体的质量比1：9~9：1加入到含离子液体的去离子水溶液中，搅拌、超声分散至混合均匀，形成石墨型氮化碳和离子液体的混合体系；

4.如权利要求3所述的一种石墨型氮化碳-离子液体复合材料的制备方法，其特征在于：所述氮化碳和离子液体的质量之和与去离子水中的质量之比为：1：10。

5.如权利要求3所述的一种石墨型氮化碳-离子液体复合材料的制备方法，其特征在于：所述合成石墨型氮化碳的步骤具体为：将二氰二胺、三聚氰胺、尿素或硫脲放入坩埚中，置于管式炉中进行煅烧，在N₂气氛下温度保持在450℃-650℃，反应时间为2-6 h。

6.如权利要求5所述的一种石墨型氮化碳-离子液体复合材料的制备方法，其特征在于：合成石墨型氮化碳的前躯体原料为二氰二胺。