CN110436423A - 一种石墨相氮化碳薄膜及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电极材料技术领域，具体涉及一种石墨相氮化碳薄膜及其制备方法和应用。本发明提供了一种石墨相氮化碳薄膜的制备方法，包括：将三聚氰胺醇溶液进行超声雾化，然后将雾化后的三聚氰胺醇溶液喷涂在衬底上，形成湿镀层；将所述湿镀层进行热处理，得到石墨相氮化碳薄膜。实施例结果表明，采用本发明的方法制备的石墨相氮化碳薄膜厚度均匀，厚度标准差低于1％。
Description
技术领域
本发明属于电极材料技术领域，具体涉及一种石墨相氮化碳薄膜及其制备方法和应用。
背景技术
石墨相氮化碳具有优异的光、电催化性能，且不含任何金属元素，在能量转换、环境质量等方面具有良好的应用前景，因此，石墨相氮化碳的相关研究受到科研界的广泛关注。
石墨相氮化碳用于能量转换时，通常是作为电极材料使用的，具体是通过滴涂或旋涂的方式制备成石墨相氮化碳薄膜。上述方法工艺复杂，生产成本高，且制备得到的薄膜材料厚度不均，很容易脱落，影响了电极的稳定性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种石墨相氮化碳薄膜的制备方法，本发明提供的制备方法能够制备得到厚度均匀的石墨相氮化碳薄膜，有利于改善电极的稳定性。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明提供了一种石墨相氮化碳薄膜的制备方法，包括：
将三聚氰胺醇溶液进行超声雾化，然后将雾化后的三聚氰胺醇溶液喷涂在衬底上，形成湿镀层；
将所述湿镀层进行热处理，得到石墨相氮化碳薄膜。
优选的，所述三聚氰胺醇溶液的质量浓度为10～20％。
优选的，对所述三聚氰胺醇溶液进行超声雾化时，超声的频率为20000～35000Hz。
优选的，进行所述喷涂时，喷头与衬底的垂直距离为30～40cm；喷头移动的速度为28～33mm/s；三聚氰胺醇溶液的喷出速度为8～16μL/min。
优选的，进行所述喷涂时，衬底的温度为35～50℃。
优选的，所述热处理的温度为550～650℃，保温时间为120～240min。
优选的，所述热处理在保护气氛下进行，保护气的压力为0.01～0.03MPa。
优选的，热处理后，还包括对所述衬底进行去除，得到石墨相氮化碳薄膜。
本发明提供了上述技术方案所述制备方法得到的石墨相氮化碳薄膜，所述石墨相氮化碳薄膜的厚度标准差低于1％。
本发明提供了上述技术方案所述的石墨相氮化碳薄膜作为电极材料的应用。
本发明提供了一种石墨相氮化碳薄膜的制备方法，包括：将三聚氰胺醇溶液进行超声雾化，然后将雾化后的三聚氰胺醇溶液喷涂在衬底上，形成湿镀层；将所述湿镀层进行热处理，得到石墨相氮化碳薄膜。本发明利用超声雾化技术将三聚氰胺醇溶液雾化成液滴，使三聚氰胺醇溶液均匀喷涂在衬底上，再配合热处理，得到了厚度均匀的石墨相氮化碳薄膜。实施例结果表明，采用本发明的方法制备的石墨相氮化碳薄膜厚度均匀，厚度标准差低于1％。
具体实施方式
本发明提供了一种石墨相氮化碳薄膜的制备方法，包括：
将三聚氰胺醇溶液进行超声雾化，然后将雾化后的三聚氰胺醇溶液喷涂在衬底上，形成湿镀层；
将所述湿镀层进行热处理，得到石墨相氮化碳薄膜。
本发明将三聚氰胺醇溶液进行超声雾化，然后将雾化后的三聚氰胺醇溶液喷涂在衬底上，形成湿镀层。在本发明中，所述三聚氰胺醇溶液优选包括三聚氰胺和甲醇，所述三聚氰胺的纯度优选在99.9％，所述甲醇的纯度优选为99.5％；所述三聚氰胺溶液中，三聚氰胺的质量浓度优选为10～20％，更优选为12～18％，再优选为13～17％。在本发明中，所述三聚氰胺醇溶液优选通过将三聚氰胺和甲醇混合，待三聚氰胺完全溶解后，静置得到；所述静置的时间优选为25～30min，更优选为30min。
在本发明中，对所述三聚氰胺醇溶液进行超声雾化时，超声的频率优选为20000～35000Hz，更优选为30000～35000Hz，再优选为35000Hz。
在本发明中，喷涂雾化后的三聚氰胺醇溶液时，所用衬底优选为铝衬底，具体如铝箔；所述衬底的温度优选为35～50℃，更优选为37～47℃，再优选为40～45℃。
在本发明中，进行所述喷涂时，所述喷头与衬底的垂直距离优选为30～40cm，更优选为32～38cm，再优选为33～35cm；所述喷头移动的速度优选为28～33mm/s，更优选为29～32mm/s，再优选为30mm/s；所述三聚氰胺醇溶液的喷出速度优选为8～16μL/min，更优选为9～15μL/min，再优选为10～14μL/min。
在本发明中，将三聚氰胺醇溶液喷涂至衬底的成膜区域后，视为完成1次喷雾；通过控制喷涂次数，得到不同厚度的石墨相氮化碳薄膜。本发明对所述喷涂的次数没有特殊要求，优选根据所需薄膜的厚度控制喷涂次数。在本发明具体实施例中，喷涂次数优选为30～60次，具体如30次、35次、40次、45次、50次、55次或60次，可得到厚度为32～56μm的石墨相氮化碳薄膜。
在本发明中，进行多次喷涂时，相邻两次喷涂的时间间隔优选为50～70s，更优选为55～65s，再优选为60s。本发明优选设置上述时间间隔，可使前一次喷涂的三聚氰胺醇溶液中的甲醇挥发，形成三聚氰胺湿镀层，为制备厚度均匀的石墨相氮化碳薄膜提供基础。
在本发明具体实施过程中，所述超声雾化优选通过沈阳科晶自动化设备有限公司生产的MSK-USP-04C型超声雾化镀膜仪完成。
喷涂完成后，本发明优选将形成湿度层的衬底降至室温，以便于进行下一步的热处理。本发明对所述降温的方式没有特殊要求，采用自然降温的方式即可。
形成湿镀层后，本发明将所述湿镀层进行热处理，得到石墨相氮化碳薄膜。在本发明中，所述热处理优选在保护气氛下进行，保护气优选为氮气或氩气，更优选为氮气；保护气的纯度优选为99.99％；保护气的压力优选控制在0.01～0.03MPa。
在本发明中，所述热处理的温度优选为550～650℃，更优选为540～640℃，再优选为530～630℃；保温时间优选为120～240min，更优选为130～230min，再优选为140～220min。在上述条件下进行热处理，衬底上喷涂的三聚氰胺醇溶液发生分解反应，生成石墨相氮化碳。
在本发明中，进行所述热处理时，优选在3～6℃/min的条件下升温至所述热处理的温度，更优选为3.5～5.5℃/min，再优选为4～5℃/min。本发明优选通过升温速率的控制，避免薄膜开裂，为得到质地均匀的薄膜提供基础。
热处理后，本发明优选还包括对所述衬底进行去除，以得到膜材料。在本发明中，所述衬底优选通过酸浸法去除，所述酸浸法用酸优选包括稀硝酸，所述稀硝酸的质量浓度优选为20～25％，更优选为21～24％，再优选为22～23％；酸浸的时间优选为1～2h，更优选为1.2～1.8h，再优选为1.5h。本发明对所述稀硝酸的用量没有特殊要求，能使衬底完全去除即可。
将衬底去除后，本发明优选还包括将所得膜材料进行干燥，所述干燥的温度优选为100～110℃，更优选为103～107℃，再优选为105℃；干燥的时间优选为30～60min，更优选为60min。
本发明另提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的石墨相氮化碳薄膜，所述石墨相氮化碳薄膜的厚度标准差低于1％。
本发明还提供了上述技术方案所述的石墨相氮化碳薄膜作为电极材料的应用。本发明对所述应用的具体方式没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的即可。
为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的一种石墨相氮化碳薄膜及其制备方法和应用进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
在容量瓶中，将适量的三聚氰胺(纯度为99.9wt.％)溶解到甲醇(纯度为99.5wt.％)中，配制质量浓度为15％的三聚氰胺甲醇溶液，静置30min待用。
将铝箔平铺在平台上，设置平台加热温度为35℃，调整超声雾化装置(沈阳科晶自动化设备有限公司生产的MSK-USP-04C型超声雾化镀膜仪)的工作参数：喷头距离铝箔高度为40mm，三聚氰胺甲醇溶液喷出速度为12μL/s，X轴、Y轴移动速度均为30mm/s。在成膜区域内喷雾45次，每次喷雾间隔1min，得到有湿涂层的铝箔样品。
将所得有湿涂层的铝箔样品，置于管式炉中，以氮气(纯度为99.99wt.％)为气氛，控制压力为0.01MPa，升温速率为3℃/min，升温至550℃后保温240min，得到半成品。
待炉温度降至室温后，将得到的半成品取出后浸泡到浓度为22wt.％的稀硝酸中，进行清洗去除铝箔层，然后在105℃下干燥60min，得到石墨相氮化碳薄膜。
实施例2
按照实施例1的方式制备石墨相氮化碳薄膜，不同之处在于：
三聚氰胺甲醇溶液的质量浓度为20％；
超声喷雾时的工作参数为：平台加热温度为45℃，喷头距离铝箔的高度为30mm，三聚氰胺甲醇溶液的喷出速度为16μL/s，在成膜区域内喷雾60次，每次喷雾间隔1min；
热处理时，氮气压力为0.03MPa，升温速率为4℃/min，保温温度为650℃，保温时间为120min。
实施例3
按照实施例1的方式制备石墨相氮化碳薄膜，不同之处在于：
三聚氰胺甲醇溶液的质量浓度为20％；
超声喷雾时的工作参数为：平台加热温度为50℃，三聚氰胺甲醇溶液的喷出速度为8μL/s，在成膜区域内喷雾30次，每次喷雾间隔1min；
热处理时，氮气压力为0.02MPa，升温速率为6℃/min，保温温度为600℃，保温时间为180min。
性能表征与结果
采用美国Veeco公司生产的Dektak150型台阶仪测量实施例所得石墨相氮化碳薄膜的厚度，每个样品测试中心、轴向至少5处区域的厚度，每个测试点测5次，测量结果取平均值，视为石墨相氮化碳薄膜该点的厚度，比较测试点的厚度，以平均厚度、最大厚度、最小厚度和标准差综合衡量薄膜的均匀性；
采用美国Perkins Elmer公司生产的Lambda750型紫外-可见-红外分光光度计测试实施例所得石墨相氮化碳薄膜的透光率，测试时，以空白载玻片为参照，在波长λ＝550nm处的透光率作为石墨相氮化碳薄膜的透光率；
上述测试结果列于表1中。
表1实施例1～3所得石墨相氮化碳薄膜的尺寸特征及性能测试结果
| 样品 | 平均厚度(μm) | 最大厚度(μm) | 最小厚度(μm) | 标准差 | 透光率(％) |
| 实施例1 | 45 | 45.3 | 44.8 | ＜1％ | 81 |
| 实施例2 | 56 | 56.4 | 55.7 | ＜1％ | 75 |
| 实施例3 | 32 | 32.2 | 31.9 | ＜1％ | 89 |
由表1测试结果可知，本发明提供的制备方法能够得到厚度均匀的石墨相氮化碳薄膜，且薄膜的透光率较高，即使在几十个微米级的厚度，透光率也能达到75％以上；另外，薄膜的尺寸较大，对于制备不同规格的电极材料有利。
由以上实施例可知，本发明提供的方法制备的薄膜材料厚度均匀性好，方法可靠性高，重复性好。
尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，人们还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。
Claims (10)
1.一种石墨相氮化碳薄膜的制备方法，包括：
将三聚氰胺醇溶液进行超声雾化，然后将雾化后的三聚氰胺醇溶液喷涂在衬底上，形成湿镀层；
将所述湿镀层进行热处理，得到石墨相氮化碳薄膜。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述三聚氰胺醇溶液的质量浓度为10～20％。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，对所述三聚氰胺醇溶液进行超声雾化时，超声的频率为20000～35000Hz。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，进行所述喷涂时，喷头与衬底的垂直距离为30～40cm；喷头移动的速度为28～33mm/s；三聚氰胺醇溶液的喷出速度为8～16μL/min。
5.如权利要求1或4所述的制备方法，其特征在于，进行所述喷涂时，衬底的温度为35～50℃。
6.如权利要求1～4任一项所述的制备方法，其特征在于，所述热处理的温度为550～650℃，保温时间为120～240min。
7.如权利要求1或6所述的制备方法，其特征在于，所述热处理在保护气氛下进行，保护气的压力为0.01～0.03MPa。
8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，热处理后，还包括对所述衬底进行去除，得到石墨相氮化碳薄膜。
9.权利要求1～8任一项所述制备方法得到的石墨相氮化碳薄膜，其特征在于，所述石墨相氮化碳薄膜的厚度标准差低于1％。
10.权利要求9所述的石墨相氮化碳薄膜作为电极材料的应用。
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| CN113667992A (zh) * | 2021-07-01 | 2021-11-19 | 昆明理工大学 | 一种喷雾热聚合制备石墨相氮化碳薄膜电极的方法 |
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