CN109395764A - 磷掺杂氮化碳的制备方法及其产品和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种磷掺杂氮化碳的制备方法及其产品和应用，通过先进行反应得到不同元素原子级掺杂前驱体，然后进行焙烧的制备方法来制备磷掺杂氮化碳。本发明采用三聚氰胺作为氮化碳前驱体，先通过将三聚氰胺与聚磷酸发生化学反应，促使磷原子与三聚氰胺形成原子级别的混合，然后将反应合成的三聚氰胺聚磷酸盐进行焙烧，制备得到均匀掺杂的磷掺杂氮化碳。采用本发明提出的制备方法制备得到的磷掺杂氮化碳，元素掺杂均匀，光催化性能好，且制备操作简单，难度较低，适合放大化生产。
Description
技术领域
本发明属于纳米材料制备领域，具体涉及一种磷掺杂氮化碳的制备方法及其产品和应用。
背景技术
目前人类面临煤、石油等能源日趋枯竭的危机，寻找新的能源受到广泛重视。太阳能是取之不尽、用之不竭的一次性能源，把太阳能转化为可储存的电能、化学能是人们最感兴趣的研究课题之一。寻找合适的半导体作为能转化太阳能的光催化剂是材料科学的一项重要任务。目前的大多数光催化剂都面临同样的问题：(1)能隙太宽，只能响应不足太阳能辐射5％的紫外光区，对太阳能中47％的可见光利用率很低；(2)价带和导带的电位很难同时满足各种催化反应的电位需要；(3)光生电子空穴易复合，量子效率很低。
氮化碳是通过对含碳元素以及氮元素丰富的材料进行一定的焙烧合成的一种黄色纳米晶体，其晶体结构与石墨结构相似。氮化碳能在牺牲介质存在的情况下和可见光作用下催化光解水析氢，也能在可见光作用下活化CO2并催化苯氧化为苯酚。与其他的半导体相比，氮化碳能够吸收可见光，化学稳定性和热稳定性强，此外还具有无毒、来源丰富、制备成型工艺简单等特点，成为目前光催化领域研究的新宠。
虽然氮化碳在光催化领域优点很多，但其也有一个明显的缺点，那就是光生载流子寿命短，易复合，导致量子效率较低。为了改善这一缺点，现在常常通过掺杂的方法改善其电子结构和表面性质。这是由于氮化碳具有的独特电子结构使其适合于掺杂，掺杂后电子结构相应的也发生了改变，即其具有空隙的层状结构有利于掺杂剂均匀掺杂，掺杂剂与氮化碳原有的分子轨道发生轨道杂化，从而改变氮化碳的能带结构，电子结构和光学性质。
采用磷掺杂氮化碳可以大大提高氮化碳的光催化性能，这是由于磷原子对氮化碳中的碳原子的取代使氮化碳的表面处于富电子状态，并导致氮化碳导带位置升高，光电子还原性增强。这些电子与水中的溶解氧形成超氧自由基(·O2-)，从而使得光催化性能显著提高。但是目前大部分磷掺杂氮化碳均是通过将氮化碳前驱体与含磷物质机械混合，然后一起焙烧制备得到磷掺杂的氮化碳，例如，有人采用尿素和磷酸二氢铵作为原料，机械混合之后然后高温焙烧制备了磷掺杂的氮化碳；还有人将三聚氰胺与稀磷酸混合，然后加热蒸发掉水，最后焙烧也制得了磷掺杂的氮化碳。这些方式可以制备得到磷掺杂的氮化碳，但是由于其均是简单混合，必定会造成混合均匀性的问题，并最终造成磷掺杂的不均匀性，在某些地方磷元素掺杂可能过高，而某些地方又没有磷原子的存在，这限制了磷掺杂氮化碳光催化性能的发挥。
发明内容
本发明的目的在于针对现有制备磷掺杂氮化碳，元素掺杂不均匀的缺点，本发明目的在于提供一种磷掺杂氮化碳的制备方法。
本发明的再一目的在于：提供一种上述方法制备的磷掺杂氮化碳产品。
本发明的又一目的在于：提供一种上述产品的应用。
本发明目的通过下述方案实现：一种磷掺杂氮化碳的制备方法，采用先通过反应得到不同元素原子级掺杂前驱体，然后进行焙烧的制备方法，包括如下步骤：
（1）不同元素原子级掺杂前驱体制备：按照质量比三聚氰胺：多聚磷酸：催化剂：溶剂为1:（0.02～1）：（0.01～0.1）：（5～30）配方精确称取各组分，先将溶剂加入烧瓶中，一边搅拌一边加入三聚氰胺，待三聚氰胺溶解后加入多聚磷酸，搅拌均匀之后加入催化剂，升温反应一段时间后将产物过滤洗涤真空干燥即得氮化碳前驱体；
（2）氮化碳前驱体焙烧：在上述得到的前驱体研磨粉碎之后放入坩埚中，然后在马弗炉中以2.5℃/分钟的升温速率升温到400～600℃，保温1～5小时，最终得到的粉末即为磷掺杂氮化碳。
所述的溶剂为乙醇、乙腈、醋酸中的一种或一种以上的混合物。
所述的催化剂为硅钨酸。
所述的反应温度为60～150℃，反应时间为6～24小时。
本发明提供一种磷掺杂氮化碳的制备方法，根据上述任一所述方法制备得到。
本发明还提供了一种所述磷掺杂氮化碳作为光催化剂的应用。
本发明提供一种磷掺杂氮化碳作为光催化剂的应用。
本发明采用三聚氰胺作为氮化碳前驱体，先通过将三聚氰胺与聚磷酸发生化学反应，促使磷原子与三聚氰胺形成原子级别的混合，然后将反应合成的三聚氰胺聚磷酸盐进行焙烧，制备得到均匀掺杂的磷掺杂氮化碳。采用本发明提出的制备方法制备得到的磷掺杂氮化碳，元素掺杂均匀，光催化性能好，且制备操作简单，难度较低，适合放大化生产。
具体实施方式
下面通过实施例进一步说明本发明，而不是限制本发明的范围。
实施例1
一种磷掺杂氮化碳的制备方法，采用先通过反应得到不同元素原子级掺杂前驱体，然后进行焙烧的制备方法，按如下步骤：
（1）不同元素原子级掺杂前驱体制备：准确称量三聚氰胺、多聚磷酸、硅钨酸以及溶剂（其中三聚氰胺与多聚磷酸的质量比为1:0.1，三聚氰胺与催化剂的质量比为1:0.03，三聚氰胺与溶剂的质量比为1:20，溶剂为乙醇，催化剂为硅钨酸），首先将溶剂加入烧瓶中，再搅拌中加入三聚氰胺，溶解后加入多聚磷酸和催化剂，升温到120℃后反应12小时，然后将产物过滤洗涤真空干燥即得氮化碳前驱体；
（2）氮化碳前驱体焙烧：将前驱体研磨粉碎之后放入坩埚中进行焙烧，其中，升温速率为2.5℃/分钟，最终焙烧温度为500℃，焙烧时间为2小时，得到的粉体即为磷掺杂氮化碳。
实施例2
一种磷掺杂氮化碳的制备方法，与实施例1近似，按如下步骤：
（1）不同元素原子级掺杂前驱体制备：准确称量三聚氰胺、多聚磷酸、硅钨酸以及溶剂（其中三聚氰胺与多聚磷酸的质量比为1:0.2，三聚氰胺与催化剂的质量比为1:0.02，三聚氰胺与溶剂的质量比为1:25，溶剂为乙腈，催化剂为硅钨酸），首先将溶剂加入烧瓶中，再搅拌中加入三聚氰胺，溶解后加入多聚磷酸和催化剂，升温到一定温度（140℃）之后反应一段时间（15小时），然后将产物过滤洗涤真空干燥即得氮化碳前驱体；
（2）氮化碳前驱体焙烧：将前驱体研磨粉碎之后放入坩埚中进行焙烧，其中，升温速率为2.5℃/分钟，最终焙烧温度为550℃，焙烧时间为3小时，得到的粉体即为磷掺杂氮化碳。
实施例3
一种磷掺杂氮化碳的制备方法，与实施例1近似，按如下步骤：
（1）不同元素原子级掺杂前驱体制备：准确称量三聚氰胺、多聚磷酸、硅钨酸以及溶剂（其中三聚氰胺与多聚磷酸的质量比为1:0.3，三聚氰胺与催化剂的质量比为1:0.05，三聚氰胺与溶剂的质量比为1:15，溶剂为醋酸，催化剂为硅钨酸），首先将溶剂加入烧瓶中，再搅拌中加入三聚氰胺，溶解后加入多聚磷酸和催化剂，升温到一定温度（130℃）之后反应一段时间（15小时），然后将产物过滤洗涤真空干燥即得氮化碳前驱体；
（2）氮化碳前驱体焙烧：将前驱体研磨粉碎之后放入坩埚中进行焙烧（其中升温速率为2.5℃/分钟，最终焙烧温度为600℃，焙烧时间为4小时），得到的粉体即为磷掺杂氮化碳。
实施例4
一种磷掺杂氮化碳的制备方法，与实施例1近似，按如下步骤：
（1）不同元素原子级掺杂前驱体制备：准确称量三聚氰胺、多聚磷酸、硅钨酸以及溶剂（其中三聚氰胺与多聚磷酸的质量比为1:0.5，三聚氰胺与催化剂的质量比为1:0.07，三聚氰胺与溶剂的质量比为1:20，溶剂为乙醇与醋酸的混合，催化剂为硅钨酸），首先将溶剂加入烧瓶中，再搅拌中加入三聚氰胺，溶解后加入多聚磷酸和催化剂，升温到一定温度（100℃）之后反应一段时间（12小时），然后将产物过滤洗涤真空干燥即得氮化碳前驱体；
（2）氮化碳前驱体焙烧：将前驱体研磨粉碎之后放入坩埚中进行焙烧，其中，升温速率为2.5℃/分钟，最终焙烧温度为550℃，焙烧时间为3小时，得到的粉体即为磷掺杂氮化碳。
附表 磷掺杂氮化碳各元素含量
。
Claims (6)
1.一种磷掺杂氮化碳的制备方法，其特征在于，采用先通过反应得到不同元素原子级掺杂前驱体，然后进行焙烧的制备方法，包括如下步骤：
（1）不同元素原子级掺杂前驱体制备：按照质量比三聚氰胺：多聚磷酸：催化剂：溶剂为1:（0.02～1）：（0.01～0.1）：（5～30）配方精确称取各组分，先将溶剂加入烧瓶中，一边搅拌一边加入三聚氰胺，待三聚氰胺溶解后加入多聚磷酸，搅拌均匀之后加入催化剂，升温反应一段时间后将产物过滤洗涤真空干燥即得氮化碳前驱体；
（2）氮化碳前驱体焙烧：在上述得到的前驱体研磨粉碎之后放入坩埚中，然后在马弗炉中以2.5℃/分钟的升温速率升温到400～600℃，保温1～5小时，最终得到的粉末即为磷掺杂氮化碳。
2.根据权利要求1所述磷掺杂氮化碳的制备方法，其特征在于，所述的溶剂为乙醇、乙腈、醋酸中的一种或一种以上的混合物。
3.根据权利要求1所述磷掺杂氮化碳的制备方法，其特征在于，催化剂为硅钨酸。
4.根据权利要求1所述磷掺杂氮化碳的制备方法，其特征在于，反应温度为60～150℃，反应时间为6～24小时。
5.一种磷掺杂氮化碳的制备方法，其特征在于根据权利要求1-4任一所述方法制备得到。
6.一种根据权利要求5所述磷掺杂氮化碳作为光催化剂的应用。
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