CN107381521A - 可控氧官能化的石墨相氮化碳纳米片的制备方法 - Google Patents
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Abstract
可控氧官能化的石墨相氮化碳纳米片的制备方法,涉及电子、生物、催化和能量存储等技术领域,将石墨相氮化碳、浓硫酸与KMnO4混合反应,得反应物,将反应物稀释,然后滴加过氧化氢水溶液进行反应,得乳白色溶液,趁热过滤后采用盐酸水溶液、超纯水洗涤至溶液呈中性,取得白色沉淀,再经真空干燥箱中干燥后研磨,得石墨相氮化碳纳米片。本发明方法简单,操作简便,可通过控制氧化处理时间来控制氧官能化程度。可控氧官能化的石墨相氮化碳纳米片具有可控的光化学性质,引入不同含量的氧官能化后的石墨相氮化碳纳米片的带隙宽度范围从2.54 eV到3.07 eV,其性能显著提高。
Description
技术领域
本发明涉及电子、生物、催化和能量存储等技术领域,具体涉及生物传感器用材料石墨相氮化碳纳米片的制备技术。
背景技术
因为超薄二维晶体的电子特性独特,比表面积大,表面容易修饰,可以广泛运用于电子、生物、催化和能量存储等领域,其中,超薄石墨相氮化碳纳米片(CN-NS)具有独特的二维纳米片形态并具有光催化活性,在生物传感器和能量存储领域前景广阔。
CN-NS的制备方法可分为自下而上和自上而下,在这些方法中,使用液体剥离技术制备CN-NS成本低、易操作,很有前途。谢教授运用多种溶剂在水中制备CN-NS并进行剥离,然而很少有人从分子水平阐述CN-NS在溶剂中的剥落过程。全球的能源需求日益增长,化石燃料又造成了严重环境的问题,人们不断追寻清洁能源,以半导体为光催化剂或光电极的太阳能氢燃料电池就是一种很有前途的利用能源的方式。用于光化学反应的半导体应具有合适的能带宽度,这样它可以有效产生光电子并促进光电子和空穴分离。因此,能带工程有利于光电器件和光催化系统半导体的设计。液相氧化制备CN-NS可以引入含氧基团并且从分子水平上调整带隙宽度,从而提高氮化碳的光催化性能,前人使用Hummers法引入大量氧元素制备氧化石墨烯(GO),但上述工作没有详细描述液体在剥离过程中氧官能化的水平,甚至没有提及在剥离过程控制氧官能化的机理。
发明内容
针对如何控制氮化碳材料的带隙宽度的问题,本发明的目的是提出可控氧官能化的石墨相氮化碳纳米片的制备方法。
本发明包括以下步骤:
1)将石墨相氮化碳、浓硫酸与KMnO4混合后升温至30℃,在搅拌条件下进行反应5~120min,取得反应物。
因为高锰酸钾与浓硫酸在反应过程中产生大量的水蒸气和氧气,所以有大量的气泡产生,反应取得棕色的反应溶液。
该步骤反应可以在30℃温和的条件下进行,防止温度太高影响氮化碳的晶体结构,使氮化碳材料更好的被氧化剥离且不会破坏氮化碳的晶体结构。若温度低于30℃,则对氮化碳材料氧化不充分,产品的含氧量较低,对于产品的应用会受到大量限制,如:由于含氧量比较低,会减少氮化碳材料在传感器上很少的活性位点,从而造成传感器的低灵敏度。
此步骤可以观察、分析不同氧化反应时间对氮化碳材料上引入多少含氧基团。从而达到一种可控氧官能化的石墨相氮化碳纳米片。
本发明通过控制反应过程的时间在5~120 min内,可以有效控制氮化碳纳米片边缘和表面的氧官能度。若氧化时间低于5min,氮化碳材料表面的含氧官能团含量很少;若氧化时间高于120min,氮化碳材料表面含氧官能团的含量几乎达到饱和状态。
2)以去离子水对步骤1)取得的反应物进行稀释,并使取得的稀释混合溶液的温度不超过30℃;
由于浓硫酸遇水会产生大量的热,加水可使氮化碳材料更好的剥离。如不控制温度保持在30℃以下,氮化碳材料的晶体结构则将被破坏。
3)将过氧化氢水溶液滴加于步骤2)取得的稀释混合溶液中,进行反应,可以去除多余未参加反应的高锰酸钾,并且可以在氮化碳材料边缘引入大量的活性基团,直至取得乳白色悬浮液;
4)将步骤3)得取得乳白色溶液趁热过滤,然后采用盐酸水溶液洗涤,取沉淀物再用超纯水洗涤至溶液呈中性,取得白色沉淀;
趁热过滤可以防止杂质沉淀;盐酸水溶液洗涤可去除溶液中大量金属离子;超纯水洗涤水将材料里的酸液洗去;白色沉淀就是氧化石墨相氮化碳纳米片材料,还需要干燥以除去氮化碳材料中多余的水分。
5)将所述白色沉淀经真空干燥箱中干燥去除氮化碳水溶液中的水分,然后研磨,得石墨相氮化碳纳米片。
以上步骤中第1)、2)步骤都很关键,要严格控制反应的温度,防止过高的温度破坏氮化碳材料的晶体结构;此外,反应过程中需要用到大量的浓硫酸及高锰酸钾等强氧化剂,要在实验过程中注意安全,并防止发生爆炸;最后清洗步骤也很关键,若不清晰干净,则合成得到的含氧氮化碳纳米片具有很多杂质。
本发明引入了大量含氧官能团,将对氮化碳纳米片的进一步应用有重大意义,例如可控氧官能化的石墨相氮化碳纳米片可以作为共聚反应的受体、单原子催化剂的平台以及液相自组装技术的前驱体。
本发明采用改性的Hummers法,通过控制高锰酸钾氧化过程的时间可以有效控制氮化碳纳米片边缘和表面的氧官能度制备出可控氧官能化(氧的相对质量范围从0.523 %到19.9 %)的超薄石墨相氮化碳纳米片,引入不同含量的氧官能化的石墨相氮化碳纳米片的带隙宽度为2.54 eV~3.07 eV。本发明可以指导各种氮化碳复合材料的设计并扩展其他二维功能材料的应用范围。
本发明具有以下有益效果:
1、本发明方法简单,操作简便,可通过控制氧化处理时间来控制氧官能化程度。
2、可控氧官能化的石墨相氮化碳纳米片具有可控的光化学性质。
3、引入不同含量的氧官能化后的石墨相氮化碳纳米片的带隙宽度范围从2.54 eV到3.07 eV,其性能显著提高。
进一步地,本发明所述步骤1)中,所述石墨相氮化碳与浓硫酸的混合比为1~2 g∶30 mL;所述浓硫酸的浓度为98w%。浓硫酸是购于国药试剂,浓硫酸在反应中具有很强的氧化性。采用该混合比有利于氮化碳更好地氧化剥离。
所述KMnO4和石墨相氮化碳的硫酸溶液中石墨相氮化碳的混合质量比为1.2∶1~2。该混合质量比不但可以确保反应过程中有效对氮化碳材料进行氧化剥离,而且本发明采用少量的硫酸溶液,还实现了安全、低成本、易于控制的效果。
所述步骤3)中,用于滴加的过氧化氢水溶液的浓度为5w%。采用该浓度可以有效去除多余未参加反应的高锰酸钾,并且可以在氮化碳材料边缘引入大量的活性基团。
所述步骤4)中,洗涤用的所述盐酸水溶液的浓度为2w%。采用该浓度可以有效去除材料中的金属离子。
所述步骤5)中,为了确保材料的晶体结构不会被破坏,所述干燥的条件为:66.7kPa、30℃。
附图说明
图1为可控氧官能化石墨相氮化碳纳米片的比表面积随氧化时间变化的示意图。
图2为可控氧官能化的石墨相氮化碳纳米片的XRD示意图。
图3、4分别为可控氧官能化的石墨相氮化碳纳米片的XPS图。
具体实施方式
一、可控氧官能化的石墨相氮化碳纳米片的制备步骤:
1、取5 g的三聚氰胺置于管式炉中,以5 ℃/min的升温速度在550℃煅烧2 h,研磨得到粉末状淡黄色石墨相氮化碳(bulk-g-C3N4)。
2、在冰浴条件下,将1~2g石墨相氮化碳粉末加入装有30 mL、浓度为98w%的浓硫酸中,在磁力搅拌器下搅拌60 min,使粉末充分溶解在硫酸溶液中,溶液呈黄色,即得石墨相氮化碳的硫酸分散剂。
3、将取得的全量黄色石墨相氮化碳的硫酸分散剂缓慢加入1.2g KMnO4中,继续在冰浴下搅拌反应,反应过程中有大量的气泡产生,反应20 min后,取得棕色溶液。
4、步骤3得到的棕色溶液缓慢将温度升至30℃,升温过程中不断搅拌,通过控制反应过程的时间分别为5、15、30、45、60和120min,分别取得不同氮化碳纳米片边缘和表面的氧官能度的CN_T5、CN_T15、CN_T30、CN_T45、CN_T60和CN_T120半制品。
取得的六种半制品分别进行后续的平行试验。
5、各步骤4取得的各半制品中分别滴加200 mL去离子水稀释,并保证混合溶液的温度不超过30 ℃。
6、向步骤5取得的混合溶液中缓慢滴加5w%过氧化氢水溶液,直至深棕色的溶液变为乳白色。
7、继续将步骤6中得到的乳白色溶液趁热过滤,用5 mL、浓度为2w%的盐酸水溶液洗涤沉淀三次,再用超纯水洗涤沉淀直至溶液呈中性。
8、将步骤7得到的白色沉淀于66.7 kPa,30 ℃的真空干燥箱中干燥24小时后,研磨后,分别得到白色粉末即CN_T5、CN_T15、CN_T30、CN_T45、CN_T60和CN_T120氧官能化的石墨相氮化碳纳米片。
二、验证及结果:
将以上步骤8取得的CN_T5、CN_T15、CN_T30、CN_T45、CN_T60和CN_T120氧官能化的石墨相氮化碳纳米片分别进行试验,图1反映了各氧官能化的石墨相氮化碳纳米片的比表面积随氧化时间变化的示意图。从图1可见:氧化处理的前60分钟内,氮化碳的比表面积随着氧化时间的增长而增加,最大的比表面积为355.8 m2/g,当氧化处理60分钟后,比表面积变化不明显。
将以上步骤8取得的CN_T5、CN_T15、CN_T30、CN_T45、CN_T60和CN_T120氧官能化的石墨相氮化碳纳米片分别进行分析,取得相应的XRD图,如图2所示:各氧官能化的石墨相氮化碳纳米片的峰形与g-C3N4相同,可见氧化处理后并没有破坏氮化碳材料的结构。
将以上步骤8取得的CN_T5、CN_T15、CN_T30、CN_T45、CN_T60和CN_T120氧官能化的石墨相氮化碳纳米片分别进行分析,取得相应的XPS图,如图3、4所示。从图3、4中可以清晰得到氧官能化的石墨相氮化碳纳米片的含氧量随着氧化时间的增加而增大,其中氧的相对质量范围从0.523%到19.9%。
Claims (6)
1.可控氧官能化的石墨相氮化碳纳米片的制备方法,其特征在于包括以下步骤:
1)将石墨相氮化碳、浓硫酸与KMnO4混合后升温至30℃,在搅拌条件下进行反应5~120min,取得反应物;
2)以去离子水对步骤1)取得的反应物进行稀释,并使取得的稀释混合溶液的温度不超过30℃;
3)将过氧化氢水溶液滴加于步骤2)取得的稀释混合溶液中,进行反应,直至取得乳白色悬浮液;
4)将步骤3)得取得乳白色悬浮液趁热过滤,取固相采用盐酸水溶液洗涤后再用超纯水洗涤至溶液呈中性,取得白色沉淀;
5)将所述白色沉淀经真空干燥箱中干燥后研磨,得氧官能化的石墨相氮化碳纳米片。
2.根据权利要求1所述石墨相氮化碳纳米片的制备方法,其特征在于所述步骤1)中,所述石墨相氮化碳与浓硫酸的混合比为1~2g∶30mL;所述浓硫酸的浓度为98w%。
3.根据权利要求1或2所述石墨相氮化碳纳米片的制备方法,其特征在于所述KMnO4和石墨相氮化碳的硫酸溶液中石墨相氮化碳的混合质量比为1.2∶1~2。
4.根据权利要求1所述石墨相氮化碳纳米片的制备方法,其特征在于所述步骤3)中,用于滴加的过氧化氢水溶液的浓度为5w%。
5.根据权利要求1所述石墨相氮化碳纳米片的制备方法,其特征在于所述步骤4)中,洗涤用的所述盐酸水溶液的浓度为2w%。
6.根据权利要求1所述石墨相氮化碳纳米片的制备方法,其特征在于所述步骤5)中,所述干燥的条件为:66.7 kPa、30℃。
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