CN110759321A - 一种可见光吸收增强石墨相氮化碳材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种可见光吸收增强石墨相氮化碳材料的制备方法，按以下步骤进行：(1)将三聚氰胺置于坩埚中，密封后盖上坩埚盖，置于加热炉内；(2)先升温至300±2℃时，升温速度4±0.1℃/min；(3)继续升温至400±2℃，升温速度在2±0.1℃/min；(4)继续升温至500～600℃，控制升温速度在4±0.1℃/min；(5)在500～600℃保温2～4h，随炉冷却，取出后研磨。本发明的方法不需要进行二次高温刻蚀处理，也没使用任何有机溶剂或强酸等，所制备的氮化碳纳米片可见光吸收性能强，光催化性能优越。
Description
技术领域
本发明属于类石墨氮化碳的改性技术领域，具体涉及一种可见光吸收增强石墨相氮化碳材料的制备方法。
背景技术
迄今为止，已广泛研究了多种常规半导体用于光催化降解有机污染物，例如TiO2和ZnO；然而，上述光催化剂的应用实际上仅受到太阳光谱中紫外组分的吸收及其快速e-h+重组的限制；关于常规半导体光催化剂的问题，尽管取得了巨大进步，光催化技术仍然受到缺乏高效和实用光催化剂的限制；这推动了大量关于追求高效，稳定，低成本和环保光催化剂的研究。
在许多半导体光催化剂中，聚合物石墨氮化碳(g-C3N4)由于其非凡的化学稳定性，无金属成分，2D结构，可见光响应而引起了相当大的研究兴趣；然而，由于较小的比表面积和原始g-C3N4的电荷载体的快速重组率导致低的光催化效率；到目前为止，提出了几种策略来解决g-C3N4的上述缺点，包括金属沉积(Pd，Pt和Au)，掺杂非金属元素(B，I和P)，缺陷控制，以及基于g-C3N4的异质结的构建(例如，与TiO2，Cu2O和ZnO)。
对于片层状g-C3N4材料，由于暴露的边缘，有限的边界，严重的聚集和片层之间的重新堆叠，g-C3N4材料中的大量光催化活性位点仍然受到限制，导致差的光催化性能；而增强可见光吸收以促进光生电子空穴分离效率被证实是改善上述缺点的有效方法；因此，开发一种简单且高效环保，同时兼具增强吸收带边红移和高活性的石墨相氮化碳材料的制备方法非常必要。
发明内容
针对现有g-C3N4材料性能上存在的上述不足，本发明旨在提供一种可见光吸收增强石墨相氮化碳(g-C3N4)材料的制备方法，通过控制煅烧三聚氰胺时的升温速率与反应温度，在友好环境条件简化工艺，增强产物的可见光吸收性能。
本发明的方法按以下步骤进行：
1、将三聚氰胺置于坩埚中，密封后盖上坩埚盖，置于加热炉内；
2、通过加热炉对坩埚内物料先升温至300±2℃时，控制升温速度在4±0.1℃/min；
3、将坩埚内物料继续升温至400±2℃，控制升温速度在2±0.1℃/min；
4、将坩埚内物料继续升温至500～600℃，控制升温速度在4±0.1℃/min；
5、将坩埚内物料在500～600℃保温2～4h，然后随炉冷却至常温，取出后将坩埚物料研磨，制成可见光吸收增强石墨相氮化碳材料。
上述的密封是指用锡箔包裹。
上述的研磨是指将结块颗粒破碎。
上述的可见光吸收增强石墨相氮化碳材料的外观为黄色。
本发明的可见光吸收增强石墨相氮化碳材料作为催化剂用于有机染料降解。
本发明方法是通过直接热处理原料三聚氰胺，经热聚合直接制得石墨相氮化碳(g-C3N4)材料；升温过程中，在300～400℃内降低升温速率，三聚氰胺的热缩和过程中，在300～400℃范围内是缩合重要阶段，可以让三聚氰胺在缓慢的升温过程中充分的缩合；此外，本发明的方法不需要进行二次高温刻蚀处理，也没使用任何有机溶剂或强酸等，因此其具有绿色友好、简便高效的优点；同时本发明所制备的氮化碳纳米片可见光吸收性能强，光催化性能优越，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例中的可见光吸收增强石墨相氮化碳材料的X射线衍射图；图中，CN-500、CN-550和CN-600分别为实施例1、实施例2和实施例3；
图2为本发明实施例中的可见光吸收增强石墨相氮化碳材料的透射电子显微镜图；图中，(a)为实施例1，(b)为实施例3；
图3为本发明实施例中的可见光吸收增强石墨相氮化碳材料的荧光光谱图；图中，CN-500、CN-550和CN-600分别为实施例1、实施例2和实施例3；
图4为本发明实施例中的可见光吸收增强石墨相氮化碳材料的紫外可见漫反射光谱图；图中，N-500、CN-550和CN-600分别为实施例1、实施例2和实施例3；
图5为本发明实施例中的可见光吸收增强石墨相氮化碳材料的傅里叶转换红外光谱图；图中，N-500、CN-550和CN-600分别为实施例1、实施例2和实施例3；
图6为本发明实施例中的可见光吸收增强石墨相氮化碳材料的光催化降解罗丹明B的光催化时间-降解率曲线图；图中，N-500、CN-550和CN-600分别为实施例1、实施例2和实施例3。
具体实施方式
下面申请人将结合具体的实施案例对本发明的技术方案加以详细说明，以便本领域的技术人员对本发明有更进一步的理解，但以下实施案例不以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。
本发明实施例中采用德国Bruker-D8型X射线衍射仪(Cu Kα，λ＝0.154nm)对样品进行XRD测试(该X射线衍射仪的步长为0.02°·s-1，工作电压和工作电流分别为15kV和30mA)。
本发明实施例中采用美国Bruker IFS 66V S-1型红外光谱仪对样品进行FT-IR测试。
本发明实施例中采用美国FEI公司的透射电子显微镜(TEM，Tecnai G20型)观测样品的形貌。
本发明实施例中采用Lambda 750S型紫外-可见分光光度计对样品进行紫外-可见固体漫反射光谱测试(测试中以硫酸钡作为标准反射参比，扫描波长为200～800nm)。
本发明实施例中采用是LS-55荧光分光光度计对样品进行荧光光谱测试。
本发明实施例中将可见光吸收增强石墨相氮化碳材料作为催化剂，其光活性通过可见光催化降解罗丹明B来进行评价，实验过程如下：称取0.05g催化剂，准备50ml浓度为10mg/L的罗丹明B溶液；在磁力搅拌条件下，将催化剂置于罗丹明B溶液中，将混合溶液进行30min暗处理以达到吸附-解吸平衡；以350W氙灯作为光源对混合溶液进行照射，并用420nm的滤波片滤去波长为420nm以下的光，然后每间隔10min取4ml经过催化降解的罗丹明B溶液，直至1h后，对各次所取溶液分别进行紫外-可见吸收测试来评估降解性能。
实施例1
将三聚氰胺置于坩埚中，用锡箔包裹密封后盖上坩埚盖，置于加热炉内；
通过加热炉对坩埚内物料先升温至300±2℃时，控制升温速度在4±0.1℃/min；
将坩埚内物料继续升温至400±2℃，控制升温速度在2±0.1℃/min；
将坩埚内物料继续升温至500～600℃，控制升温速度在4±0.1℃/min；
将坩埚内物料在500～600℃保温2～4h进行热聚合反应，然后随炉冷却至常温，取出后将坩埚物料研磨使结块颗粒破碎，制成可见光吸收增强g-C3N4材料，外观为黄色；产品编号为CN-500，X射线衍射图如图1所示，透射电镜图如图2所示，荧光光谱图如图3所示，紫外可见漫反射光谱图如图4所示，傅里叶转换红外光谱图如图5所示；光催化降解罗丹明B的光催化时间-降解率曲线如图6所示；由图1可见，粉末X射线衍射谱图结果显示样品S1在13.1°和27.4°有两个特征衍射峰，分别对应石墨相氮化碳的(100)和(002)特征峰，和文献结果相一致(Adv.Mater.2014,26,8046–8052)，表明S1是石墨相氮化碳；图2表明S1是较厚的体相聚集体；稳态荧光光谱由图3可见，其荧光强度较大，光生载流子复合效率较高；由图5可见，1200cm-1-1650cm-1中的峰对应氮化碳中典型的CN杂环振动峰，而809cm-1对应氮化碳中典型的三嗪环振动峰，表明是氮化碳；由图6可见，产品对于罗丹明B的降解在一个小时可以达到(初始值的)15％。
实施例2
方法同实施例1，不同点在于：
最后一次升温至550℃，并在550℃保温3h；
产品编号为CN-550，X射线衍射图如图1所示，荧光光谱图如图3所示，紫外可见漫反射光谱图如图4所示，傅里叶转换红外光谱图如图5所示；光催化降解罗丹明B的光催化时间-降解率曲线如图6所示；产品对于罗丹明B的降解在一个小时可以达到6.7％。
实施例3
方法同实施例1，不同点在于：
最后一次升温至550℃，并在550℃保温3h；
产品编号为CN-550，X射线衍射图如图1所示，透射电镜图如图2所示，荧光光谱图如图3所示，紫外可见漫反射光谱图如图4所示，傅里叶转换红外光谱图如图5所示；光催化降解罗丹明B的光催化时间-降解率曲线如图6所示；由图4可见，出现了可见光的延伸吸收，将可见光响应范围延伸到555nm；产品对于罗丹明B的降解在一个小时可以达到4.5％，在40min时降解就达到9.7％。
Claims (5)
1.一种可见光吸收增强石墨相氮化碳材料的制备方法，其特征在于按以下步骤进行：
(1)将三聚氰胺置于坩埚中，密封后盖上坩埚盖，置于加热炉内；
(2)通过加热炉对坩埚内物料先升温至300±2℃时，控制升温速度在4±0.1℃/min；
(3)将坩埚内物料继续升温至400±2℃，控制升温速度在2±0.1℃/min；
(4)将坩埚内物料继续升温至500～600℃，控制升温速度在4±0.1℃/min；
(5)将坩埚内物料在500～600℃保温2～4h，然后随炉冷却至常温，取出后将坩埚物料研磨，制成可见光吸收增强石墨相氮化碳材料。
2.根据权利要求1所述的一种可见光吸收增强石墨相氮化碳材料的制备方法，其特征在于步骤(1)中，密封是指用锡箔包裹。
3.根据权利要求1所述的一种可见光吸收增强石墨相氮化碳材料的制备方法，其特征在于步骤(5)中，研磨是指将结块颗粒破碎。
4.根据权利要求1所述的一种可见光吸收增强石墨相氮化碳材料的制备方法，其特征在于所述的可见光吸收增强石墨相氮化碳材料的外观为黄色。
5.一种权利要求1所述的可见光吸收增强石墨相氮化碳材料的使用方法，其特征在于用于有机染料降解。
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