CN106902858A - 一种碳掺杂多孔石墨相氮化碳纳米分散体系的快速制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳掺杂多孔石墨相氮化碳纳米分散体系的快速制备方法，涉及纳米科学、材料科学、光催化等领域。本发明利用六次甲基四胺在高温下分解产生的气体对三聚氰胺或二氰二胺的高温聚合进行原位掺杂和结构调控，一步法得到碳掺杂多孔石墨相氮化碳纳米材料。在高剪切作用下实现了碳掺杂多孔石墨相氮化碳纳米分散体系的快速批量制备，在光催化、电化学传感等领域具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及纳米科学、材料科学等领域，具体涉及一种碳掺杂多孔石墨相氮化碳纳米分散体系的快速制备方法。
背景技术
石墨相氮化碳作为一种非金属半导体光催化剂，无毒，带隙约 2.7 eV，对可见光有一定的吸收，抗酸、碱、光的腐蚀，稳定性好，结构和性能易于调控，具有较好的光催化性能，因而成为光催化领域的研究热点。在自然界中至今还没有发现存在天然的晶体。所以石墨相氮化碳的研究依赖于实验合成。合适的碳源和氮源在一定条件下反应可得到石墨相氮化碳。常用的反应物有三聚氰胺、三聚氰氯、氰胺、二氰二胺、尿素等。目前石墨相氮化碳的主要合成方法有：高温高压法、溶剂热法、沉积法、热聚合法等。热聚合法可以方便地通过加入其他物质或改变反应条件来调节石墨相氮化碳的结构，从而提高石墨相氮化碳的光催化性能，是目前石墨相氮化碳研究中常用的合成方法。
尽管石墨相氮化碳有着广泛的应用，但由于电子空穴复合快和比表面积不够大等原因， 实际应用效果并不理想。为此，科研人员开发了多种方法进行改进，例如物理复合改性、化学掺杂改性、微观结构调整等。化学掺杂改性能够很好地改变石墨相氮化碳的电子结构，从而改善光催化性能。其中碳的自掺杂对石墨相氮化碳光催化性能有明显的影响，发现掺杂的 碳取代了石墨相氮化碳网络中起桥连作用的氮元素，扩大了电子的离域范围，增加了电导率,降低了带隙，光催化性能得到了提高。
在现有的石墨相氮化碳光催化体系中，都需要催化剂分散在溶剂中并与目标物充分接触，活性粒子经催化剂表面作用于目标物，所以石墨相氮化碳的比表面积和微观形貌也影响了其光催化性能。因此，石墨相氮化碳光催化性能的提高也可通过石墨相氮化碳微观结构的多孔化和低维化来实现。多孔构的石墨相氮化碳，比表面积较大、结晶度较高，光催化性能明显提高。目前利用二氧化硅作为硬模板，可合成出多孔结构的其光催化苯的酰基化反应、光解水制氢和对醇的选择性氧化的能力明显提高。多孔结构使石墨相氮化碳比表面积增加，电子的捕捉位点增多，减缓了电子空穴对的复合，使其能克服带隙略微增加带来的不利影响而提高光催化性能。
多孔石墨相氮化碳合成后，需要去除硬模板，这往往需要使用剧毒的HF，对人体的伤害较大。此外，在前驱体中加入硫脲可以合成出多孔石墨相氮化碳。同样用三聚氰胺的盐酸季铵盐作为前驱体，也合成出多孔的石墨相氮化碳。硫脲和盐酸等软模板的加入，不仅促使多孔结构的形成，而且有效避免剧毒物质的使用。但目前还缺乏简单快速的碳掺杂多孔石墨相氮化碳尤其是纳米分散体系的制备技术。
本发明利用六次甲基四胺在高温下分解产生的气体对三聚氰胺或二氰二胺的高温聚合进行原位掺杂和结构调控，一步法得到碳掺杂多孔石墨相氮化碳纳米材料。并且在高剪切作用下实现了碳掺杂多孔石墨相氮化碳纳米分散体系的快速批量制备，在光催化、电化学传感等领域具有广泛的应用前景。
发明内容
本发明的目的是提供碳掺杂多孔石墨相氮化碳纳米材料及分散体系的快速批量制备方法，解决传统制备方法步骤复杂、时间较长等问题。
本发明的技术方案如下：
1. 一种碳掺杂多孔石墨相氮化碳纳米分散体系的快速制备方法，包括以下步骤：
（1）将5～10 g三聚氰胺或二氰二胺与1～5 g六次甲基四胺混合，溶于100 mL水中，震荡30 min，冷冻干燥；
（2）将步骤（1）制得的混合物置于置入管式炉中，在氮气氛围中以3℃/min的升温速率升温至140℃后保温1～2 h，然后升温至550℃后保温4～5 h，冷却至室温；
（3）将步骤（2）制得的固体用研钵磨细，取1～2 g分散于500 mL水中，高剪切作用下搅拌3～5 min，用离心机3000转离心10 min，取上层清液，得到碳掺杂多孔石墨相氮化碳纳米分散体系。
本发明的有益成果
1 一步法同时实现了石墨相氮化碳纳米材料化学掺杂改性和微观结构调控。
2高剪切作用可以实现纳米分散体系的快速批量制备。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实施例1 （1）将10 g三聚氰胺与2 g六次甲基四胺混合，溶于100 mL水中，震荡30min，冷冻干燥；
（2）将步骤（1）制得的混合物置于置入管式炉中，在氮气氛围中以3℃/min的升温速率升温至140℃后保温1 h，然后升温至550℃后保温4 h，冷却至室温；
（3）将步骤（2）制得的固体用研钵磨细，取1 g分散于500 mL水中，用功率为2000 W转速达20000转/分钟的破壁机搅拌5 min，用离心机3000转离心10 min，取上层清液，得到碳掺杂多孔石墨相氮化碳纳米分散体系。
Claims (2)
1.一种碳掺杂多孔石墨相氮化碳纳米分散体系的快速制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将5～10 g三聚氰胺或二氰二胺与1～5 g六次甲基四胺混合，溶于100 mL水中，震荡30 min，冷冻干燥；
（2）将步骤（1）制得的混合物置于置入管式炉中，在氮气氛围中以3℃/min的升温速率升温至140℃后保温1～2 h，然后升温至550℃后保温4～5 h，冷却至室温；
（3）将步骤（2）制得的固体用研钵磨细，取1～2 g分散于500 mL水中，高剪切作用下搅拌3～5 min，用离心机3000转离心10 min，取上层清液，得到碳掺杂多孔石墨相氮化碳纳米分散体系。
2.根据权利要求1所述的一种碳掺杂多孔石墨相氮化碳纳米分散体系的快速制备方法，其特征在于，用功率为800～2000 W转速达20000～25000转/分钟的破壁机进行高剪切搅拌。
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