CN105271369A - 一种有机熔盐法制备g-C3N4/CdS复合材料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有机熔盐法制备g-C₃N₄/CdS复合材料的方法，在该方法中，首先称量一定量的氯化胆碱和尿素，混合碾磨成液态作为助溶剂，再称量一定量的氯化镉和硫脲，将其加入到助溶剂中碾磨成液态，加入一定量的C₃N₄碾磨均匀后超声震荡。将震荡后的溶液装入反应釜中，将按此比例药品的配方的制备3份，并将置放反应悬浊液的烧杯反应釜；将三个反应釜放入电热鼓风干燥箱中恒温，分别反应2-10h后取出，再将烧杯取出，用无水乙醇和蒸馏水清洗产物数次，得g-C₃N₄/CdS复合材料。本发明操作简单,容易控制，重复性好，绿色环保,且不使用任何表面活性剂或溶剂。

Description

一种有机熔盐法制备g-C3N4/CdS复合材料的方法

技术领域

本发明属于在有机盐溶液的环境中利用化学法制备纳米颗粒的领域，具体涉及一种有机熔盐法制备g-C₃N₄/CdS复合材料的方法。

背景技术

随着世界能源危机及全球性环境污染，开发使用清洁新能源成了本世纪极为重要的课题。太阳能作为持续、可再生、环保的能源资源已被世界各国所青睐。然而获取和使用太阳能的方式多样、效率不一，现在广为人接受的是使用光伏材料对太阳能进行能源转换，然后加以使用和储存利用。

金属硫化物(Bi₂S₃、CdS)是具有发展前景的光伏材料之一，但目前文献所报道的转化效率不尽人意。而g-C₃N₄是目前研究较为活跃的光电材料，但目前其研究领域主要集中在光催化领域，但其在太阳能光伏领域还鲜见研究，同时它对拓宽复合材料可见光吸收范围起到重大的作用。在光催化剂方面的研究，田海峰等^[1]对改性g-C₃N₄/ TiO₂复合材料进行了一番探究并研究其在合成过程中的影响因素。同样是对g-C₃N₄光催化研究，李新斌等^[16]对Ag的含量对Ag/ g-C₃N₄复合材料光催化性能的影响，并且探究其原因。对于g-C₃N₄/CdS也有人进行研究，只是个人研究方向有些差异。Cao Shaowen等通过溶剂热法将CdS量子点很好的分散在g-C₃N₄纳米片上，并且发现当CdS量子点的质量分数为12%时的复合材料的光析氢速率是纯g-C₃N₄的115倍，并且两组分之间进行的电子-空穴分离和传送机制增强了复合材料的光催化活性。复合材料的发展到现在进展已经进入到黄金时期，而对于复合材料的工作原理是归因于复合材料不同组分之间的电子-空穴的分离，以及复合材料的大比表面积和能量传导。对于复合材料的研究，可以发现复合材料的光学性能远要好于各成分单独制成光学材料，并且复合材料不仅可以运用于光学材料，还可以运用于光电信息处理材料，当然现有的相关研究较少，可以作为一个新方向进行探索研究。

对于硫化物的制备方式长沙环境保护职业技术学院的王巧玲报道了溶剂热法、水热法、微波合成法、回流法，天津大学材料与工程学院的代艳^]报道了离子液法、水热法、溶剂热法，本文都对其做出了归纳总结并，列出其中应用较为广的几种制备方式：

(1) 离子液法：离子液体作为新型溶剂有显著的优势，高温下结构稳定不易分解，合成方法简单安全，特别是离子液中阴阳离子在很大范围内可调，然而离子液毕竟是一类

新的化学品，其基础研究和实验研究尚不够充分和深入，离子液体在环境、健康

和安全方面的评价和研究较为缺乏，而且使用离子液制备仍存在成本过高的缺

点，也制约着离子液体的产业化应用。

(2) 水热法：水热法是合成纳米材料的重要方法，它是以水为溶剂，在密封的压力容器中，高温高压下进行的化学反应。水热法合成的优点，粒子纯度高、分散性好、结晶性好且形貌可控。水热法中使用的反应釜能够提供一定的压力，这是常温常压反应方式不具备的，然而反应釜的容量以及生产过程冷却等需要的时间同样限制了反应釜的大规模工厂化生产，因此此方式较常应用于实验室制备过程。

(3) 溶剂热法：溶剂热法是在一中熔点较低的液态盐中进行的反应，离子组成较为明确副反应较少，同时也是一种得到各种独特形貌 Bi₂S₃纳米材料的重要方法，但也存在一些缺点，需要大量的有机溶剂，因而不经济，特别是当使用有毒有机试剂时，便会对环境造成污染，另外反应也是在高压釜中进行，增加了危险性并限制了大规模生产应用。

(4) 微波合成法：采用微波加热同时在表面和内部进行升温处理，由于微波加热的均匀性、无滞后性等优势是合成硫化铋材料的一大重要方式，但微波处理有着成本高、产量小等缺陷不适合大规模生产。

(5) 回流法：此方式设备简单易操作，并且有着经济性等优势参数也以控制，但是对于需在复杂条件较高的生产温度等条件下生产的材料无法满足需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种有机熔盐法制备出了g-C₃N₄/CdS复合材料的方法，所涉及的设备和工艺简单，反应过程中不需要控制。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案，一种有机熔盐法制备g-C₃N₄/CdS复合材料的方法，其特征在于包括下述步骤：

试剂准备：2.300g氯化镉 (CdCl₂·2.5H₂O)，9.000g氯化胆碱(C₅H₁₄ClNO)，3.000g尿素(H₂NCONH₂)，无水乙醇(C₂H₅OH)，2.300g硫脲（CH₄N₂S）。

实验步骤：

(1) 用电子天平称量一定量的氯化胆碱(C₅H₁₄ClNO)和尿素(H₂NCONH₂) ，将两者混合碾磨成液态作为助溶剂；然后称量一定量的氯化镉 (CdCl₂·2.5H₂O)和硫脲（CH₄N₂S），其次将氯化镉 (CdCl₂·2.5H₂O)和硫脲（CH₄N₂S）加入到助溶剂中碾磨成液态，多余的硫脲可作为表面活性剂，最后加入一定量的C₃N₄碾磨均匀后超声震荡一段时间。

(2) 将震荡后的溶液装入反应釜中，将按此比例药品的配方的制备3份，并将置放反应悬浊液的烧杯反应釜分别标上1、2、3的记号 。将三个反应釜放入电热鼓风干燥箱中在一定温度范围内恒温，分别反应一定时间后取出，然后关掉烘箱电源。

(3) 将烧杯取出，先用无水乙醇清洗所得的产物数次，再用蒸馏水清洗数次，然后放入电热鼓风干燥箱中干燥制得粉末以便进行XRD粉末表征。

(4) 将1、2、3号试样溶液放入超声波发生器中，用超声波分散所得样品两个小时左右，防止纳米颗粒团聚。然后将溶液用玻璃棒涂覆于先前洗干净的铝片上，自然干燥后进行SEM和EDS表征。

(5) 将1、2、3号试样剩下的溶液用紫外-可见光谱仪进行紫外-可见性能测试。

(6) 测试样品的荧光光谱。

优选的，所述氯化胆碱和尿素的质量比为8:1~1:2。

优选的，所述氯化镉和硫脲摩尔比为4:1~1:4。

优选的，所述设定温度为120~220℃，保温时间为1~9h。

所述本发明的技术效果是：本发明采用一种有机熔盐法制备出了g-C₃N₄/CdS复合材料，g-C₃N₄呈无定型状态，CdS颗粒直径上属于亚微米级别，依附在g-C₃N₄颗粒周围，尺寸略大于g-C₃N₄颗粒。本发明具有使用设备简单、过程容易控制及制备方法绿色环保的特点，不需要加入一些表面活性剂或复杂组分的溶剂就能控制亚微米CdS颗粒的形貌，得到亚微米尺寸的球形CdS颗粒。

附图说明

图1是本发明的g-C₃N₄/CdS复合材料的XRD图像图。

由图可知产物只含有g-C₃N₄和CdS的物相，无其他物相。

图2是本发明的g-C₃N₄/CdS复合材料的SEM图像图。

有图可知g-C₃N₄/CdS复合材料是由亚微米尺寸的球形CdS颗粒和无定型形貌的g-C₃N₄颗粒组成。

图3是本发明的g-C₃N₄/CdS复合材料的IR图谱。

从图中可知，在1200-1652cm^-1吸收峰，它们归属于g-C₃N₄的C−N键的伸缩振动。而3450 cm^-1归属于g-C₃N₄/CdS复合材料吸附的水分子。1384cm^-1和1128cm^-1吸收峰归属于g-C₃N₄/CdS复合材料中CdS的Cd-S键。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明做进一步详细描述。

实施例一

(1) 用电子天平称量一定量的氯化胆碱(C₅H₁₄ClNO)和尿素(H₂NCONH₂) ，两者质量比为8:1，将两者混合碾磨成液态作为助溶剂；然后称量一定量的氯化镉 (CdCl₂·2.5H₂O)和硫脲（CH₄N₂S），两者摩尔比4:1，其次将氯化镉 (CdCl₂·2.5H₂O)和硫脲（CH₄N₂S）加入到助溶剂中碾磨成液态，多余的硫脲可作为表面活性剂，最后加入一定量的C₃N₄碾磨均匀后超声震荡一段时间。

(2) 将震荡后的溶液装入反应釜中，将按此比例药品的配方的制备3份，并将置放反应悬浊液的烧杯反应釜分别标上1、2、3的记号 。将三个反应釜放入电热鼓风干燥箱中在,120℃温度下反应2小时后取出，然后关掉烘箱电源。

(3) 将烧杯取出，先用无水乙醇清洗所得的产物数次，再用蒸馏水清洗数次，然后放入电热鼓风干燥箱中干燥制得粉末以便进行XRD粉末表征。

(4) 将1、2、3号试样溶液放入超声波发生器中，用超声波分散所得样品2小时左右，防止纳米颗粒团聚。然后将溶液用玻璃棒涂覆于先前洗干净的铝片上，自然干燥后进行SEM和EDS表征。

(5) 将1、2、3号试样剩下的溶液用紫外-可见光谱仪进行紫外-可见性能测试。

(6) 测试样品的荧光光谱。

实施例二

(1) 用电子天平称量一定量的氯化胆碱(C₅H₁₄ClNO)和尿素(H₂NCONH₂) ，两者质量比为5:1，将两者混合碾磨成液态作为助溶剂；然后称量一定量的氯化镉 (CdCl₂·2.5H₂O)和硫脲（CH₄N₂S），两者摩尔比2:1，其次将氯化镉 (CdCl₂·2.5H₂O)和硫脲（CH₄N₂S）加入到助溶剂中碾磨成液态，多余的硫脲可作为表面活性剂，最后加入一定量的C₃N₄碾磨均匀后超声震荡一段时间。

(2) 将震荡后的溶液装入反应釜中，将按此比例药品的配方的制备3份，并将置放反应悬浊液的烧杯反应釜分别标上1、2、3的记号 。将三个反应釜放入电热鼓风干燥箱中在,140℃温度下反应4小时后取出，然后关掉烘箱电源。

(3) 将烧杯取出，先用无水乙醇清洗所得的产物数次，再用蒸馏水清洗数次，然后放入电热鼓风干燥箱中干燥制得粉末以便进行XRD粉末表征。

(4) 将1、2、3号试样溶液放入超声波发生器中，用超声波分散所得样品2小时左右，防止纳米颗粒团聚。然后将溶液用玻璃棒涂覆于先前洗干净的铝片上，自然干燥后进行SEM和EDS表征。

(5) 将1、2、3号试样剩下的溶液用紫外-可见光谱仪进行紫外-可见性能测试。

(6) 测试样品的荧光光谱。

实施例三

(1) 用电子天平称量一定量的氯化胆碱(C₅H₁₄ClNO)和尿素(H₂NCONH₂) ，两者质量比为2:1，将两者混合碾磨成液态作为助溶剂；然后称量一定量的氯化镉 (CdCl₂·2.5H₂O)和硫脲（CH₄N₂S），两者摩尔比1:1，其次将氯化镉 (CdCl₂·2.5H₂O)和硫脲（CH₄N₂S）加入到助溶剂中碾磨成液态，多余的硫脲可作为表面活性剂，最后加入一定量的C₃N₄碾磨均匀后超声震荡一段时间。

(2) 将震荡后的溶液装入反应釜中，将按此比例药品的配方的制备3份，并将置放反应悬浊液的烧杯反应釜分别标上1、2、3的记号 。将三个反应釜放入电热鼓风干燥箱中在,160℃温度下反应6小时后取出，然后关掉烘箱电源。

(3) 将烧杯取出，先用无水乙醇清洗所得的产物数次，再用蒸馏水清洗数次，然后放入电热鼓风干燥箱中干燥制得粉末以便进行XRD粉末表征。

(4) 将1、2、3号试样溶液放入超声波发生器中，用超声波分散所得样品2小时左右，防止纳米颗粒团聚。然后将溶液用玻璃棒涂覆于先前洗干净的铝片上，自然干燥后进行SEM和EDS表征。

(5) 将1、2、3号试样剩下的溶液用紫外-可见光谱仪进行紫外-可见性能测试。

(6) 测试样品的荧光光谱。

实施例四

(1) 用电子天平称量一定量的氯化胆碱(C₅H₁₄ClNO)和尿素(H₂NCONH₂) ，两者质量比为1:1，将两者混合碾磨成液态作为助溶剂；然后称量一定量的氯化镉 (CdCl₂·2.5H₂O)和硫脲（CH₄N₂S），两者摩尔比1:3，其次将氯化镉 (CdCl₂·2.5H₂O)和硫脲（CH₄N₂S）加入到助溶剂中碾磨成液态，多余的硫脲可作为表面活性剂，最后加入一定量的C₃N₄碾磨均匀后超声震荡一段时间。

(2) 将震荡后的溶液装入反应釜中，将按此比例药品的配方的制备3份，并将置放反应悬浊液的烧杯反应釜分别标上1、2、3的记号 。将三个反应釜放入电热鼓风干燥箱中在,180℃温度下反应8小时后取出，然后关掉烘箱电源。

(3) 将烧杯取出，先用无水乙醇清洗所得的产物数次，再用蒸馏水清洗数次，然后放入电热鼓风干燥箱中干燥制得粉末以便进行XRD粉末表征。

(4) 将1、2、3号试样溶液放入超声波发生器中，用超声波分散所得样品2小时左右，防止纳米颗粒团聚。然后将溶液用玻璃棒涂覆于先前洗干净的铝片上，自然干燥后进行SEM和EDS表征。

(5) 将1、2、3号试样剩下的溶液用紫外-可见光谱仪进行紫外-可见性能测试。

(6) 测试样品的荧光光谱。

实施例五

(1) 用电子天平称量一定量的氯化胆碱(C₅H₁₄ClNO)和尿素(H₂NCONH₂) ，两者质量比为1:2，将两者混合碾磨成液态作为助溶剂；然后称量一定量的氯化镉 (CdCl₂·2.5H₂O)和硫脲（CH₄N₂S），两者摩尔比1:4，其次将氯化镉 (CdCl₂·2.5H₂O)和硫脲（CH₄N₂S）加入到助溶剂中碾磨成液态，多余的硫脲可作为表面活性剂，最后加入一定量的C₃N₄碾磨均匀后超声震荡一段时间。

(2) 将震荡后的溶液装入反应釜中，将按此比例药品的配方的制备3份，并将置放反应悬浊液的烧杯反应釜分别标上1、2、3的记号 。将三个反应釜放入电热鼓风干燥箱中在,220℃温度下反应10小时后取出，然后关掉烘箱电源。

(3) 将烧杯取出，先用无水乙醇清洗所得的产物数次，再用蒸馏水清洗数次，然后放入电热鼓风干燥箱中干燥制得粉末以便进行XRD粉末表征。

(4) 将1、2、3号试样溶液放入超声波发生器中，用超声波分散所得样品2小时左右，防止纳米颗粒团聚。然后将溶液用玻璃棒涂覆于先前洗干净的铝片上，自然干燥后进行SEM和EDS表征。

(5) 将1、2、3号试样剩下的溶液用紫外-可见光谱仪进行紫外-可见性能测试。

(6) 测试样品的荧光光谱。

Claims (4)

1.一种有机熔盐法制备g-C₃N₄/CdS复合材料的方法，其特征在于包括下述步骤：

(1) 用电子天平称量一定量的氯化胆碱和尿素，将两者混合碾磨成液态作为助溶剂；然后称量一定量的氯化镉和硫脲，其次将氯化镉和硫脲加入到助溶剂中碾磨成液态，多余的硫脲可作为表面活性剂，最后加入一定量的C₃N₄碾磨均匀后超声震荡一段时间；

(2) 将震荡后的溶液装入反应釜中，将按此比例药品的配方的制备3份，并将置放反应悬浊液的烧杯反应釜分别标上1、2、3的记号 ；将三个反应釜放入电热鼓风干燥箱中在一定温度范围内恒温，分别反应一定时间后取出，然后关掉烘箱电源；

(3) 将烧杯取出，先用无水乙醇清洗所得的产物数次，再用蒸馏水清洗数次，然后放入电热鼓风干燥箱中干燥制得粉末以便进行XRD粉末表征；

(4) 将1、2、3号试样溶液放入超声波发生器中，用超声波分散所得样品两个小时左右，防止纳米颗粒团聚；然后将溶液用玻璃棒涂覆于先前洗干净的铝片上，自然干燥后进行SEM和EDS表征；

(5) 将1、2、3号试样剩下的溶液用紫外-可见光谱仪进行紫外-可见性能测试；

(6) 测试样品的荧光光谱。

2.根据权利要求1所述的一种有机熔盐法制备g-C₃N₄/CdS复合材料的方法，其特征在于：所述氯化胆碱和尿素的质量比为8:1~1:2。

3.根据权利要求1所述的一种有机熔盐法制备g-C₃N₄/CdS复合材料的方法，其特征在于：所述氯化镉和硫脲摩尔比为4:1~1:4。

4.根据权利要求1所述的一种有机熔盐法制备g-C₃N₄/CdS复合材料的方法，其特征在于：所述设定温度为120~220℃，保温时间为2~10h。