CN107098321A - 低温等离子体制备二维结构碳氮化合物的方法 - Google Patents

低温等离子体制备二维结构碳氮化合物的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种低温等离子体制备二维结构碳氮化合物的方法，包括以下步骤：⑴将碳氮化合物前驱体放置在等离子体装置中的两个电极之间；⑵通入等离子体放电气体；⑶在两个电极上施加直流或交流电压，等离子体对前驱体进行处理并使前驱体分解，分解后的产物即为成品。本发明中的管式等离子体发生器中，通过通电激发气体形成等离子体，而等离子体中含有大量电子，这些电子附着在g‑C3N4纳米薄片上使其互相排斥，可有效地阻止g‑C3N4纳米薄片聚集再长大，从而形成均匀的二维结构g‑C3N4纳米薄片。

Description

低温等离子体制备二维结构碳氮化合物的方法
技术领域
本发明属于材料科学技术领域，尤其是涉及一种低温等离子体制备二维结构碳氮化合物的方法。
背景技术
碳氮化合物g-C3N4作为聚合型非金属半导体材料，因其优异的物理和光电性能成为当今研究的热门材料。g-C3N4廉价易得，无毒，耐酸碱和高温，禁带宽度为2.7eV，因其对可见光响应这一优良性质，g-C3N4已经被广泛应用于光催化领域，用以光解水制氢、光催化降解有机污染物等。为了拓宽其对可将光的吸收范围，增强电子转移的效率，结合g-C3N4的独特结构特征，将g-C3N4剥离为单层的二维结构可以有效地增强其光催化性能。
目前，常用的二维g-C3N4薄片剥离手段是热氧化刻蚀法、液体溶液剥离法和溶剂热法。这几种方法需先将尿素或三聚氰胺等前驱体在高温条件下热聚合生成g-C3N4，而后再对g-C3N4进行后续处理得到二维g-C3N4薄片。热氧化刻蚀法需将g-C3N4粉末在500-600℃条件下热处理，操作温度高，能耗大，且制备量较小，过程不易控制,一半左右的样品依然是堆积结构没有形成二维结构。溶液剥离法需要超声处理10h以上，实验周期长，能耗大，且收率不高。
制备二维g-C3N4薄片的相关专利有：CN105800571A、CN105858714A、CN103193785A、CN104401948A。其中专利CN105800571A、CN105858714A、均采用了高温热处理的方法，温度达到500℃以上；专利CN103193785A温度也达到300℃以上，而且步骤复杂经过24h以上水热反应后还需高温焙烧，且只能得到少量产品；专利CN104401948A也需要经过球磨、超声、离心多步骤处理才能得到产品，也需要至少13h的处理时间。
本专利和前述专利截然不同，与这些传统方法相比，冷等离子体处理法通过等离子体场中的高能电子轰击尿素等前驱体，使其分解为g-C3N4碳氮化合物，而且由于分解过程中，等离子体场中的电子都吸附在g-C3N4的每层之间，电子之间的斥力，使其剥离为二维结构的 g-C3N4薄片。等离子体制备过程操作简单，在室温下操作，反应过程中无需引入其他化学物质，并且是一步法直接由前驱体制得二维结构碳氮化合物g-C3N4，而且制备周期较其他几种方法更短，样品质量也更稳定。所以，等离子体方法具有耗时短、操作简便、效率更高、节能省耗、环境友好等优势。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供收率较高、操作简便、节能省耗、环境友好的一种低温等离子体制备二维结构碳氮化合物的方法。
本发明采取的技术方案是：
一种低温等离子体制备二维结构碳氮化合物的方法，其特征在于：包括以下步骤：
⑴将碳氮化合物前驱体放置在等离子体装置中的两个电极之间；
⑵通入等离子体放电气体；
⑶在两个电极上施加直流或交流电压，等离子体对前驱体进行处理并使前驱体分解，分解后的产物即为成品。
而且，步骤⑶所述分解后的产物经过洗涤和干燥后即为成品。
而且，所述洗涤使用去离子水、甲醇或N,N-二甲基甲酰胺中的任意一种。
而且，所述洗干燥温度为30-80℃。
而且，所述前驱体为尿素、硫脲、单氰胺、双氰胺或三聚氰胺中的任意一种。
而且，所述的等离子体装置为管式等离子体发生器。
而且，所述等离子体放电气体为空气、氩气或氮气中的任意一种或任意几种的混合气。
而且，所述等离子体放电气体的压力条件为常压，温度条件为常温。
而且，所述等离子体为辉光放电等离子体、介质阻挡放电等离子体或电晕放电等离子体中的任意一种。
本发明的优点和积极效果是：
1.本发明中，采用的低温等离子体制备二维结构g-C3N4纳米薄片，室温条件下进行即可，且操作简便、步骤简单，直接由原料一步法制得，与现有技术的其他方法相比，将处理时间从10个小时以上缩短为仅1个小时以内，效率更高。
2.本发明中，处理过程中未引入其他化学试剂，不需高温加热，与现有技术的其他方法相比，处理过程中在资源和能源消耗上均较低，环境友好。
3.本发明中，虽然步骤简单，但制备二维结构g-C3N4纳米薄片的收率达90％以上，现有技术的其他方法如焙烧法、超声法等收率偏低。
4.本发明中的管式等离子体发生器中，通过通电激发气体形成等离子体，而等离子体中含有大量电子，这些电子附着在g-C3N4纳米薄片上使其互相排斥，可有效地阻止g-C3N4纳米薄片聚集再长大，从而形成均匀的二维结构g-C3N4纳米薄片。
附图说明
图1是三聚氰胺经等离子体处理后所得最终产品的XRD谱图；
图2是三聚氰胺经等离子体处理后所得最终产品的紫外-可见漫反射光谱图；
图3是三聚氰胺经等离子体处理后所得最终产品的透射电子显微镜(TEM)图片。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明进一步说明，下述实施例是说明性的，不是限定性的，不能以下述实施例来限定本发明的保护范围。
一种低温等离子体制备二维结构碳氮化合物的方法，本发明的创新在于：包括以下步骤：
⑴将碳氮化合物前驱体放置在等离子体装置中的两个电极之间；
⑵通入等离子体放电气体；
⑶在两个电极上施加直流或交流电压，等离子体对前驱体进行处理并使前驱体分解，分解后的产物即为成品。
更优选的方案是：步骤⑶所述分解后的产物经过洗涤和干燥后即为成品。所述洗涤使用去离子水、甲醇或N,N-二甲基甲酰胺中的任意一种。所述洗干燥温度为30-80℃。
所述前驱体为尿素、硫脲、单氰胺、双氰胺或三聚氰胺中的任意一种。
所述的等离子体装置为管式等离子体发生器。所述等离子体放电气体为空气、氩气或氮气中的任意一种或任意几种的混合气。所述等离子体放电气体的压力条件为常压，温度条件为常温。所述等离子体为辉光放电等离子体、介质阻挡放电等离子体或电晕放电等离子体中的任意一种。
以下通过实施例对方法进行详细说明，各实施例中涉及的试剂和设备除明确说明出处外，均为市售。
实施例1
将三聚氰胺固体粉末置于管式等离子体装置(di＝20mm；L＝570mm)的两个电极之间，在室温 (20-30℃)下通入氩气作为放电气体，常压条件下在两电极间施加500V的交流电压，采用介质阻挡放电等离子体进行处理，处理时间为10min,所得产物经过N,N-二甲基甲酰胺清洗，清洗后30℃条件下于烘箱(型号：DH-101-1BS)中干燥，得到最终产物，从所得最终产物的XRD 谱图和TEM图片分析，证明所得即是二维结构g-C3N4薄片，产品收率90％。
实施例2
将双氰胺固体粉末置于管式等离子体装置(di＝20mm；L＝570mm)的两个电极之间，在室温 (20-30℃)下通入氮气作为放电气体，常压条件下在两电极间施加700V的直流电压，采用电晕放电等离子体进行处理，处理时间为40min，所得产物经过去离子水清洗，清洗后50℃条件下于烘箱(型号：DH-101-1BS)中干燥，得到最终产物，从所得最终产物的XRD谱图和TEM 图片分析，证明所得即是二维结构g-C3N4薄片，产品收率92％。
实施例3
将单氰胺固体粉末置于管式等离子体装置(di＝20mm；L＝570mm)的两个电极之间，在室温 (20-30℃)下通入氩气作为放电气体，常压条件下在两电极间施加1000V的直流电压，采用辉光放电等离子体进行处理，处理时间为50min，所得产物经过甲醇清洗，清洗后40℃条件下于烘箱(型号：DH-101-1BS)中干燥，得到最终产物，从所得最终产物的XRD谱图和TEM图片分析，证明所得即是二维结构g-C3N4薄片，产品收率100％。
实施例4
将硫脲固体粉末置于管式管式等离子体装置(di＝20mm；L＝570mm)的两个电极之间，在室温 (20-30℃)下通入空气作为放电气体，常压条件下在两电极间施加600V的交流电压，采用介质阻挡放电等离子体进行处理，处理时间为30min，所得产物经过去离子水清洗，清洗后70℃条件下于烘箱(型号：DH-101-1BS)中干燥，得到最终产物，从所得最终产物的XRD谱图和 TEM图片分析，证明所得即是二维结构g-C3N4薄片，产品收率98％。
实施例5
将尿素固体粉末置于管式等离子体装置(di＝20mm；L＝570mm)的两个电极之间，在室温下 (20-30℃)通入氩气作为放电气体，常压条件下在两电极间施加550V的交流电压，采用介质阻挡放电等离子体进行处理，处理时间为10min，所得产物经过甲醇清洗，清洗后40℃条件下于烘箱(型号：DH-101-1BS)中干燥，得到最终产物，从所得最终产物的XRD谱图和TEM图片分析，证明所得即是二维结构g-C3N4薄片，产品收率95％。
实施例6
将三聚氰胺固体粉末置于管式等离子体装置(di＝20mm；L＝570mm)的两个电极之间，在室温 (20-30℃)下通入氩气作为放电气体，常压条件下在两电极间施加700V的交流电压，采用介质阻挡放电等离子体进行处理，处理时间为20min，所得产物经过甲醇清洗，清洗后80℃条件下于烘箱(型号：DH-101-1BS)中干燥，得到最终产物，从所得最终产物的XRD谱图和TEM 图片分析，证明所得即是二维结构g-C3N4薄片，产品收率98％。
实施例7
将三聚氰胺固体粉末置于管式等离子体装置(di＝20mm；L＝570mm)的两个电极之间，在室温 (20-30℃)下通入氩气作为放电气体，常压条件下在两电极间施加500V的直流电压，采用电晕放电等离子体进行处理，处理时间为60min，所得产物经过去离子水清洗，清洗后50℃条件下于烘箱(型号：DH-101-1BS)中干燥，得到最终产物，从所得最终产物的XRD谱图和TEM 图片分析，证明所得即是二维结构g-C3N4薄片，产品收率96％。
本发明中的管式等离子体发生器中，通过通电激发气体形成等离子体，而等离子体中含有大量电子，这些电子附着在g-C3N4纳米薄片上使其互相排斥，可有效地阻止g-C3N4纳米薄片聚集再长大，从而形成均匀的二维结构g-C3N4纳米薄片。

Claims (9)

1.一种低温等离子体制备二维结构碳氮化合物的方法，其特征在于：包括以下步骤：
⑴将碳氮化合物前驱体放置在等离子体装置中的两个电极之间；
⑵通入等离子体放电气体；
⑶在两个电极上施加直流或交流电压，等离子体对前驱体进行处理并使前驱体分解，分解后的产物即为成品。
2.根据权利要求1所述的低温等离子体制备二维结构碳氮化合物的方法，其特征在于：步骤⑶所述分解后的产物经过洗涤和干燥后即为成品。
3.根据权利要求2所述的低温等离子体制备二维结构碳氮化合物的方法，其特征在于：所述洗涤使用去离子水、甲醇或N,N-二甲基甲酰胺中的任意一种。
4.根据权利要求2所述的低温等离子体制备二维结构碳氮化合物的方法，其特征在于：所述洗干燥温度为30-80℃。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的低温等离子体制备二维结构碳氮化合物的方法，其特征在于：所述前驱体为尿素、硫脲、单氰胺、双氰胺或三聚氰胺中的任意一种。
6.根据权利要求1或2或3或4所述的低温等离子体制备二维结构碳氮化合物的方法，其特征在于：所述的等离子体装置为管式等离子体发生器。
7.根据权利要求1或2或3或4所述的低温等离子体制备二维结构碳氮化合物的方法，其特征在于：所述等离子体放电气体为空气、氩气或氮气中的任意一种或任意几种的混合气。
8.根据权利要求1或2或3或4所述的低温等离子体制备二维结构碳氮化合物的方法，其特征在于：所述等离子体放电气体的压力条件为常压，温度条件为常温。
9.根据权利要求1或2或3或4所述的低温等离子体制备二维结构碳氮化合物的方法，其特征在于：所述等离子体为辉光放电等离子体、介质阻挡放电等离子体或电晕放电等离子体中的任意一种。
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