CN107311125B - 一种碳化氮纳米片及其制备方法和应用 - Google Patents

一种碳化氮纳米片及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于纳米材料合成技术领域，利用简单直接快速的热聚合法一步合成类石墨相碳化氮(g‑C3N4)纳米片光催化剂，可用于可见光下光催化分解水产氢气。称取三聚氰胺置于圆形坩埚中，然后将处理好的泡沫镍平放于三聚氰胺之上，接着盖上坩埚盖，并平置于马弗炉中，初始温度为50℃，以2.3℃/min的升温速率将马弗炉升温至500℃‑550℃，并在该温度下反应4h，优选550℃，自然冷却至室温后，得到上层黑色的泡沫镍和下层相应的碳化氮纳米片。

Description

一种碳化氮纳米片及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于纳米材料合成技术领域，利用简单直接快速的热聚合法一步合成类石墨相碳化氮(g-C3N4)纳米片光催化剂，可用于可见光下光催化分解水产氢气。
背景技术
近年来，环境污染和能源紧缺等一系列全球性问题对人类的发展产生了越来越严重地影响，政府和科学家们正在寻求一种绿色可持续的有效替代方法来解决上述问题，在过去的近四十年里，光催化分解水制氢因具有经济、环保、可再生、安全等优点，已成为解决问题的热门研究课题，光催化技术利用绿色和无污染的太阳光既可以实现分解水制氢气，还可以分解污染物达到改善环境的目的。众所周知，纳米材料因具有颗粒尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子所占比例大等特点，以及其特有的三大效应(表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应)，被称为21世纪“最有前途的材料”，因此，开发可实际应用的纳米级的半导体光催化剂是当前光催化研究领域的重要课题。
类石墨相非金属半导体碳化氮(g-C3N4)作为一种有机半导体由于具有良好的物理和化学稳定性、可见光响应、非金属的组成、低廉的成本、安全无毒等特点，被公认为优秀的光催化剂，在光催化领域受到了研究者们的极大关注。但是，单一的体相的g-C3N4材料存在很多缺点，如比表面积小、导电性差、光生激子复合率较快、反应活性位点和可见光利用效率低。相比于体相的g-C3N4，碳化氮纳米片有更大的比表面积和更多的活性位点，此外由于量子尺寸效应，其有更高的光生电子-空穴对分离效率，其光催化分解水产氢气的活性明显比体相的g-C3N4好。因此，制备碳化氮纳米片是一种有效地提高氮化碳光催化性能策略，当前氮化碳纳米片的制备方法主要有超声剥离，热剥离和模板辅助合成等，这些方法存在很多不足，如制备周期长，耗能和工艺繁琐。目前还没有关于用泡沫镍辅助制备碳化氮纳米片的报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种简单直接快速的碳化氮纳米片的合成方法，并将该碳化氮纳米片用于可见光下光催化分解水制氢气。该方法以三聚氰胺为原料，利用泡沫镍辅助一步热聚合法合成类石墨相碳化氮纳米片光催化材料。
其合成方法主要包括以下几个步骤：
步骤1：将泡沫镍洗涤后，干燥待用。
所述将泡沫镍洗涤指：用6mol/L的盐酸超声洗涤30min，然后分别用水和乙醇洗涤三次。
所述泡沫镍的规格为3cm×3cm×1mm。
所述干燥指：在60℃条件下真空干燥2h。
步骤2：称取三聚氰胺置于圆形坩埚中，接着盖上坩埚盖，并平置于马弗炉中，初始温度为50℃，以2.3℃/min的升温速率将马弗炉升温至550℃，并在该温度下反应4h，等自然冷却至室温后，研磨得到体相碳化氮粉体。
步骤3：称取三聚氰胺置于圆形坩埚中，然后将处理好的泡沫镍平放于三聚氰胺之上，接着盖上坩埚盖，并平置于马弗炉中，初始温度为50℃，以2.3℃/min的升温速率将马弗炉升温至500℃-550℃，并在该温度下反应4h，优选550℃，自然冷却至室温后，得到上层黑色的泡沫镍和下层相应的碳化氮纳米片。
所述的圆形坩埚容量为50mL。
本发明中体相碳化氮和碳化氮纳米片结构由X射线衍射(XRD)确定，如图1，XRD中都表现出g-C3N4的两个特征峰外，与标准卡片(JCPDS 71-0639)符合；该谱图表明碳化氮纳米片已由一步热聚合法成功制备。
体相碳化氮和碳化氮纳米片的形貌由透射电镜表征,如图1；相比于体相碳化氮的块状形貌，由上述方法合成所制备的氮化碳纳米片具有明显的片状形貌。
体相碳化氮和碳化氮纳米片的光催化能力则通过相同条件下催化分解水制备氢气的量确定，条件为：可见光(λ>420nm)下，20mg催化剂分散于90ml水和10mL三乙醇胺(作为牺牲剂)的混合溶液中，3wt％的Pt作为助催化剂。
有益效果：
利用简单快速的一步热聚合法所制备的碳化氮纳米片，在可见光下具有极好的光解水制氢活性；本发明具有原料价廉易得，工艺简单，反应时间较短等优点，减少了能耗和反应成本，便于批量生产，且无毒无害，符合节能环保的要求。
附图说明：
图1为本发明实施案例所制备样品的X-射线衍射图(XRD)，图中体相碳化氮(记为：BCN)和不同温度(500℃，520℃，550℃)下反应4小时后合成的碳化氮纳米片(分别记为：CN-500，CN-525,CN-550)都显示出g-C3N4成分的特征峰。
图2为本发明实施例中体相碳化氮和550℃温度条件下制备的碳化氮纳米片的形貌表征。
图3为本发明实施案例所制备样品在可见光条件下光催化分解水产氢的效果图。图中可以看出体相氮化碳在可见光下催化分解水制氢气的效率很低，而氮化碳纳米片的分解水产氢效率则很高，而且随着氮化碳纳米片的合成温度的提高，其可见光下催化分解水产氢气能力趋于最佳。说明了合成的氮化碳纳米片催化剂能够显著提升光催化性能，并能很好的应用于可见光下催化分解水制氢气。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细说明，以使本领域技术人员更好地理解本发明，但本发明并不局限于以下实施例。
实施例1
步骤1：将泡沫镍(3cm×3cm×1mm)用6mol/L的盐酸超声洗涤30min，然后分别用水和乙醇洗涤三次，最后在60℃条件下真空干燥2h。
步骤2：称取3g三聚氰胺置于圆形坩埚中，接着盖上坩埚盖，并平放于马弗炉中，初始温度为50℃，以2.3℃/min的升温速率将马弗炉升温至550℃，并在该温度下反应4h，等自然冷却至室温后，研磨5分钟得到体相碳化氮BCN。
步骤3：称取3g三聚氰胺均匀置于圆形坩埚中，并将处理好的泡沫镍平放于三聚氰胺之上，接着盖上坩埚盖，并平放于马弗炉中，初始温度为50℃，以2.3℃/min的升温速率将马弗炉升温至550℃，并在该温度下反应4h，等自然冷却至室温后，得到上层黑色的泡沫镍和下层的碳化氮纳米片CN-550，无需研磨。
所述的圆形坩埚容量为50mL。
实施例2
步骤1：将泡沫镍(3cm×3cm×1mm)用6mol/L的盐酸超声洗涤30min，然后分别用水和乙醇洗涤三次，最后在60℃条件下真空干燥2h。
步骤2：称取3g三聚氰胺置于圆形坩埚中，接着盖上坩埚盖，并平放于马弗炉中，初始温度为50℃，以2.3℃/min的升温速率将马弗炉升温至550℃，并在该温度下反应4h，等自然冷却至室温后，研磨5分钟得到体相碳化氮。
步骤3：称取3g三聚氰胺均匀置于圆形坩埚中，并将处理好的泡沫镍平放于三聚氰胺之上，接着盖上坩埚盖，并平放于马弗炉中，初始温度为50℃，以2.3℃/min的升温速率将马弗炉升温至525℃，并在该温度下反应4h，等自然冷却至室温后，得到上层黑色的泡沫镍和下层的碳化氮纳米片CN-525(需适当研磨)。所述的圆形坩埚容量为50mL。
实施例3
步骤1：将泡沫镍(3cm×3cm×1mm)用6mol/L的盐酸超声洗涤30min，然后分别用水和乙醇洗涤三次，最后在60℃条件下真空干燥2h。
步骤2：称取3g三聚氰胺置于圆形坩埚中，接着盖上坩埚盖，并平放于马弗炉中，初始温度为50℃，以2.3℃/min的升温速率将马弗炉升温至550℃，并在该温度下反应4h，等自然冷却至室温后，研磨5分钟得到体相碳化氮BCN。
步骤3：称取3g三聚氰胺均匀置于圆形坩埚中，并将处理好的泡沫镍平放于三聚氰胺之上，接着盖上坩埚盖，并平放于马弗炉中，初始温度为50℃，以2.3℃/min的升温速率将马弗炉升温至500℃，并在该温度下反应4h，等自然冷却至室温后，得到上层黑色的泡沫镍和下层的碳化氮纳米片CN-500(需适当研磨)。所述的圆形坩埚容量为50mL。

Claims (8)

1.一种碳化氮纳米片，其特征在于，采用如下步骤制备：称取三聚氰胺置于圆形坩埚中，然后将处理好的泡沫镍平放于三聚氰胺之上，接着盖上坩埚盖，并平置于马弗炉中，初始温度为50℃，以2.3℃/min的升温速率将马弗炉升温至500℃-550℃，并在该温度下反应4h，自然冷却至室温后，得到上层黑色的泡沫镍和下层相应的碳化氮纳米片。
2.如权利要求1所述的一种碳化氮纳米片，其特征在于，升温至550℃。
3.如权利要求1所述的一种碳化氮纳米片，其特征在于，所述泡沫镍的处理方法为：将泡沫镍洗涤后，干燥待用。
4.如权利要求3所述的一种碳化氮纳米片，其特征在于，所述将泡沫镍洗涤指：用6mol/L的盐酸超声洗涤30min，然后分别用水和乙醇洗涤三次。
5.如权利要求3所述的一种碳化氮纳米片，其特征在于，所述干燥指：在60℃条件下真空干燥2h。
6.如权利要求1所述的一种碳化氮纳米片，其特征在于，所述泡沫镍的规格为3cm×3cm×1mm。
7.如权利要求1-6任一所述的一种碳化氮纳米片在光催化分解水制氢气方面的用途。
8.如权利要求7所述的用途，其特征在于：氮化碳纳米片的合成温度越高，其可见光下催化分解水产氢气能力越佳。
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