CN106430125A - 多孔g‑C3N4棒的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及半导体材料领域，旨在提供一种多孔g‑C3N4棒的制备方法。包括：将单氰胺烧结冷却后，将产物研磨得到g‑C3N4颗粒；分散于去离子水中搅拌，加氨水调节pH值后继续搅拌，混合溶液移至反应釜中进行水热反应；得沉淀离心洗涤、干燥，获得g‑C3N4棒；再分散于溶剂中超声处理，滴加H2SO4水溶液后持续搅拌；在密闭条件下进行水浴搅拌处理后，再移至反应釜中进行水热反应；沉淀洗涤、烘干，得到多孔g‑C3N4棒。本发明通过采用一种简单的无模板法制备得到多孔结构的棒状g‑C3N4，避免了传统模板法繁琐、不环保的制备工艺。解决了块状g‑C3N4比表面积小、表面活性位点少、量子效率低的缺陷，提高其光催化性能。

Description

多孔g-C3N4棒的制备方法
技术领域
本发明涉及半导体材料的制备，特别涉及一种多孔g-C3N4棒的制备方法。
背景技术
近年来，类石墨状氮化碳(g-C3N4)作为一种新型的可见光催化材料越来越受到广泛关注。不同于传统的紫外光激发的TiO2光催化材料，g-C3N4的禁带宽度为2.7eV(导带和价带的位置分别-1.1eV和+1.6eV)，使其在可见光区也具有催化活性。此外，g-C3N4由地球上储量最为丰富的两种化学元素C和N组成，无毒害且制备成本低廉。因此，g-C3N4以其优良的半导体特性、高化学稳定性、无毒易制备且成本低廉等优点在光催化领域具有广阔的应用前景。但是，传统固相烧结所制备g-C3N4的比表面积较低，且量子效率也有待提高，限制了g-C3N4作为光催化材料的进一步发展。有研究以NaCl作为模板剂，通过热处理双氰胺成功制备出纳米带结构的g-C3N4。由于Na+的影响，使得g-C3N4具有大量氰基，提高其水溶性，极大增加了其对污染物的亲和能力。有研究人员通过对固相法制备的g-C3N4在甲醇的作用下进行回流3h处理，成功制备出长为0.5～3μm、直径为100～150nm的g-C3N4纳米棒。由于光生载流子能够在这种结构上快速转移，同原始g-C3N4相比，其光催化活性和光电流响应分别提高了1.5和2.0倍。还有研究报道以二氧化硅球为模板剂，通过调节二氧化硅与氰胺水的质量比，制备了具有高比表面积的介孔g-C3N4，有效促进了催化剂表面物质的传输。当二氧化硅与氰胺水的质量比为0.2时，介孔g-C3N4的产氢速率高达149μmol·h-1。
可见，针对传统固相烧结所制备g-C3N4存在的量子效率低、光催化活性不高的技术问题，对g-C3N4颗粒形貌进行控制已成为提高材料比表面积、增加其量子效率的重要途径，这也是当前该领域技术创新的热点。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种多孔g-C3N4棒的制备方法。
为解决上述技术问题，本发明的解决方案是：
提供一种多孔g-C3N4棒的制备方法，包括以下步骤：
步骤A：将单氰胺置于刚玉坩埚舟中，在管式炉中进行烧结；待冷却至室温后，将获得的黄色聚合产物取出研磨至粉末状颗粒，得到g-C3N4颗粒；
其中，管式炉的保护气氛为氩气，烧结时控制升温速率为2～10℃/min，保温温度为500～600℃，保温时间3～10h；
步骤B：将g-C3N4颗粒按15wt％的固含量分散于去离子水中，搅拌5～25min后，加入氨水调节pH值至6～11；继续搅拌30～60min后，将混合溶液移至反应釜中进行水热反应，水热反应的温度为140～170℃，时间为12～24h；将所得沉淀离心后，先用去离子水洗涤三次，再用无水乙醇洗涤三次；最后在60℃干燥，获得g-C3N4棒；
步骤C：将g-C3N4棒分散于溶剂中得到分散体系，超声处理1h；在搅拌下向分散体系中滴加H2SO4水溶液后，持续搅拌18h；在密闭条件下进行水浴搅拌处理后，再移至反应釜中进行水热反应；将水热反应得到的沉淀先用去离子水洗涤三次，再用无水乙醇洗涤三次；最后在60℃烘干，得到多孔g-C3N4棒；
其中，g-C3N4棒在溶剂中的固含量为0.2～0.5％；控制H2SO4水溶液的滴加量使得H2SO4与g-C3N4棒的摩尔比为3:1～1:1；水浴搅拌处理的温度为60～90℃，时间为2～5h；水热反应温度为140～170℃，时间为12～24h。
2、根据权利要求1中所述的制备方法，其特征在于，所述步骤A中，研磨是采用球磨工艺：球料比30:1，球磨速率200转/min，球磨时间4h。
3、根据权利要求1中所述的制备方法，其特征在于，所述步骤B中，氨水的摩尔浓度为1～4mol/L。
4、根据权利要求1中所述的制备方法，其特征在于，所述步骤C中，用于分散的溶剂是去离子水或无水乙醇。
本发明的实现原理：
首先采用氨水对g-C3N4块体进行水热处理，使g-C3N4在高温水热条件下形成棒状形貌，从而增大g-C3N4的比表面积。然后，以超声处理后的g-C3N4棒为原料，以硫酸溶液为改性剂，通过高温水热，在质子化作用下，使g-C3N4棒上出现多孔结构，使其比表面积进一步提升，同时增加表面活性位点，提高量子效率。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
采用一种简单的无模板法制备得到多孔结构的棒状g-C3N4，避免了传统模板法繁琐、不环保的制备工艺。解决了块状g-C3N4比表面积小、表面活性位点少、量子效率低的缺陷，提高其光催化性能。
附图说明
图1为多孔g-C3N4棒的扫描电镜照片(表观形貌照片)。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
多孔g-C3N4棒的制备方法，包括如下步骤：
步骤A：将单氰胺置于刚玉坩埚舟中，并放置于管式炉中进行烧结。待冷却至室温后将获得的黄色聚合产物取出研磨至粉末状颗粒，得到g-C3N4颗粒。
其中，管式炉的保护气氛为氩气，烧结机制为升温至500～600℃并保温3～10h。升温速率为2～10℃/min。
步骤B：将g-C3N4颗粒按15wt％的固含量分散于去离子水，搅拌一段时间后加入氨水调节pH值；再次搅拌一段时间后将混合溶液移至反应釜中进行水热处理。最后将水热反应所得沉淀离心，先用去离子水洗涤三次，再用无水乙醇洗涤三次，然后在60℃干燥，获得g-C3N4棒。
其中，第一次搅拌的时间为5～25min；氨水的摩尔浓度为1～4mol/L；调pH值至6～11；第二次搅拌的时间为30～60min；水热反应的温度为140～170℃，时间为12～24h。
步骤C：将得到的g-C3N4棒分散于溶剂中得到分散体系，经超声1h后在搅拌条件下向该分散体系中滴加H2SO4水溶液并持续搅拌18h；随后在密闭条件下进行水浴搅拌处理；持续一段时间后将其移至反应釜中进行水热处理；最后将水热处理得到的沉淀先用去离子水洗涤三次，再用无水乙醇洗涤三次，60℃烘干后得到多孔g-C3N4棒。
其中，g-C3N4棒在溶剂中的固含量为0.2～0.5％；H2SO4与g-C3N4棒的摩尔比为3:1～1:1；水浴热处理的温度为60～90℃，时间为2～5h；水热反应温度为140～170℃，时间为12～24h。
下面的实施例可以使本专业的专业技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
分别通过8个实施例成功制得多孔g-C3N4棒，各实施例中的试验数据见下表1。
表1实施例数据表
最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例子。显然，本发明不限于以上实施例子，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种多孔g-C3N4棒的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A：将单氰胺置于刚玉坩埚舟中，在管式炉中进行烧结；待冷却至室温后，将获得的黄色聚合产物取出研磨至粉末状颗粒，得到g-C3N4颗粒；
其中，管式炉的保护气氛为氩气，烧结时控制升温速率为2～10℃/min，保温温度为500～600℃，保温时间3～10h；
步骤B：将g-C3N4颗粒按15wt％的固含量分散于去离子水中，搅拌5～25min后，加入氨水调节pH值至6～11；继续搅拌30～60min后，将混合溶液移至反应釜中进行水热反应，水热反应的温度为140～170℃，时间为12～24h；将所得沉淀离心后，先用去离子水洗涤三次，再用无水乙醇洗涤三次；最后在60℃干燥，获得g-C3N4棒；
步骤C：将g-C3N4棒分散于溶剂中得到分散体系，超声处理1h；在搅拌下向分散体系中滴加H2SO4水溶液后，持续搅拌18h；在密闭条件下进行水浴搅拌处理后，再移至反应釜中进行水热反应；将水热反应得到的沉淀先用去离子水洗涤三次，再用无水乙醇洗涤三次；最后在60℃烘干，得到多孔g-C3N4棒；
其中，g-C3N4棒在溶剂中的固含量为0.2～0.5％；控制H2SO4水溶液的滴加量使得H2SO4与g-C3N4棒的摩尔比为3:1～1:1；水浴搅拌处理的温度为60～90℃，时间为2～5h；水热反应温度为140～170℃，时间为12～24h。
2.根据权利要求1中所述的制备方法，其特征在于，所述步骤A中，研磨是采用球磨工艺：球料比30:1，球磨速率200转/min，球磨时间4h。
3.根据权利要求1中所述的制备方法，其特征在于，所述步骤B中，氨水的摩尔浓度为1～4mol/L。
4.根据权利要求1中所述的制备方法，其特征在于，所述步骤C中，用于分散的溶剂是去离子水或无水乙醇。
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