CN110885069A - 一种三维大孔超轻氮化碳材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了三维大孔超轻氮化碳材料及其制备方法，制备方法包括如下步骤：S1.将三聚氰胺海绵浸泡于乙醇中，超声至少20分钟；S2.将S1处理后的三聚氰胺海绵浸泡于去离子水中，超声至少10分钟；S3.将S2处理后的三聚氰胺海绵置于真空干燥箱中干燥；S4.将干燥后的三聚氰胺海绵置于管式炉中，设置程序升温，升温速率1‑2℃/min；在含有惰性气体和氧气的混合气氛下进行煅烧制得。本发明制备得到的三维大孔超轻氮化碳具有轻质的特点、相互搭接的三维网络结构以及大孔结构。

Description

一种三维大孔超轻氮化碳材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种三维大孔超轻氮化碳材料及其制备方法，属于氮化碳材料领域。
背景技术
三维多孔炭材料是指含有相互贯穿、搭接的孔洞结构的固体炭材料。三维多孔炭材料具有优异的导电性、力学性能和化学稳定性，以及丰富的孔隙结构和较高的比表面积等特点，被广泛用于电池、电容器等能量储存领域，工业催化剂及其载体，工业、生活废水的循环处理等领域。多孔材料的孔隙可分为微孔(<2nm)，介孔(2-50nm)和大孔(>50nm)三类。大孔材料的孔开放性好，可极大加快物质的扩散速率和反应过程中的传质效率，在生物分子的固载、催化吸附和分离、储能器件中的离子传输等方面具有重大的意义。
氮化碳是以共面三均三嗪为基本结构单元的多聚类化合物，具有高氮掺杂量、良好的导电性、较高的比表面积，因而成为一种理想的碳基材料。氮化碳在可见光催化材料、催化剂载体、储能和传感等方向都具有潜在的应用。氮化碳常用的制备方法有高压热解、溶剂热、离子注入、磁控溅射、等离子体化学气相沉积、电化学沉积、离子束沉积、低能离子辐射、脉冲电弧放电和脉冲激光诱导等，但所得产物多是团聚严重的体相材料。近年来，研究者发现以双氰胺、尿素、三聚氰胺或硫脲等富氮前驱体通过高温热解的方法可以得到氮化碳。低密度的轻质材料在雷达波隐身、能量储存、吸附、催化和传感等领域都具有广阔的应用前景。但目前对于轻质多孔氮化碳材料的研究还未见报道。通过筒单有效的方法构筑新型的三维大孔超轻氮化碳材料，为扩展多孔炭材料的应用领域提供了可能。三聚氰胺海绵是一种低密度、高开孔率的三维网格结构的新型泡沫塑料。其良好的三维网络结构在高温时仍可以得到保持，这为本发明中三维大孔超轻氮化碳的合成提供了可能。
CN110026226A公开了一种石墨相氮化碳纳米片多孔材料的制备方法，具体包括前驱体的酸化处理、前驱体与模板剂的混合、煅烧等步骤。反应过程涉及到硫酸或硝酸等强腐蚀性物质，且需要模板剂，步骤较繁琐。
CN110002414A公开了一种多孔氮化碳纳米管的制备方法，其制备过程包括：磷酸酸化及水热处理富氮有机物，然后将前驱体置于马弗炉中高温处理，得到多孔氮化碳纳米管。水热反应耗时耗能，磷酸酸化会产生大量废水，制备方法不够绿色、高效。
CN110314693A公开了一种类石墨相氮化碳纳米片及制备方法与应用，制备方法是采用醇类溶剂将尿素完全溶解获得溶液，将溶液干燥获得固体前驱体，将固体前驱体煅烧，获得类石墨相氮化碳纳米片。尿素与醇类溶剂的加入比为1:19～21，g：mL。经过醇类溶剂溶解后的尿素，晶体结构没有发生变化，但是醇类溶剂的羟基和尿素之间产生了一定的包合反应(非化学键键和)，在缓慢的干燥过程中部分醇类羟基仍然和尿素分子间有一定的结合，相当于在尿素分子间进行了“插层”。在后续的煅烧过程中，由于前驱体不是现成的尿素成品，而是经“插层”的尿素小颗粒，因此获得的g-C3N4为多孔的纳米片。
制备的g-C3N4具有良好光催化效果，同时采用该g-C3N4能够提高其制备复合涂层的表面水接触角，从而展现出较强的自清洁和防腐蚀的性能。但是其原料主要是尿素，最终制备得到的氮化碳材料产品不具有三维大孔又超轻的特点。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种三维大孔超轻氮化碳材料及其制备方法，既解决氮化碳材料合成过程中团聚现象严重，只能得到体相材料的缺点，又解决传统氮化碳材料合成工艺复杂，操作繁琐，时间和经济成本高，对环境不友好的缺点。
所采用的技术方案为：
一种三维大孔超轻氮化碳材料的制备方法，包括如下步骤：
S1.将三聚氰胺海绵浸泡于乙醇中，超声至少20分钟；
S2.将S1处理后的三聚氰胺海绵浸泡于去离子水中，超声至少10分钟；
S3.将S2处理后的三聚氰胺海绵置于真空干燥箱中干燥；
S4.将干燥后的三聚氰胺海绵置于管式炉中，设置程序升温，升温速率1-2℃/min；在含有惰性气体和氧气的混合气氛下进行煅烧，得到三维大孔超轻氮化碳。
进一步地，S1中，将三聚氰胺海绵浸泡于20-40mL乙醇中,S2中，将S1处理后的三聚氰胺海绵浸泡于20-40mL去离子水中。
进一步地，S3中，将S2处理后的三聚氰胺海绵置于真空干燥箱中40-60℃干燥。
进一步地，S4中，含有惰性气体和氧气的混合气氛为95vol％惰性气体和5vol％氧气的混合气氛,所述惰性气体为氮气、氦气或氩气中的一种。
进一步地，S4中，煅烧温度为450-600℃，煅烧时间为0.1-8小时。
一种三维大孔超轻氮化碳材料，其是由上述任一方案所述的制备方法制得的。
进一步地，该三维大孔超轻氮化碳材料的孔径大小为100-500μm。
上述方案中，原料三聚氰胺海绵可以采用市售的、成本低廉的三聚氰胺海绵。
本发明的有益效果是：
第一方面，原料可以采用市售的、成本低廉的三聚氰胺海绵，整个制备过程不使用强酸、强氧化剂、易燃易爆等对环境有害的试剂。
第二方面，制备过程简单、易操作，不涉及苛刻的反应条件或者繁琐的操作步骤。
第三方面，采用扫描电子显微镜表征本发明制备的三维大孔超轻氮化碳材料的形貌，可知其具有相互搭接的三维网络结构。
第四方面，所得到的三维大孔氮化碳材料具有轻质的特点，羽毛、玫瑰花及花瓣都足以支撑其重量而不会发生任何形变，这使其在很多领域具有潜在的应用。
附图说明
图1a为三聚氰胺海绵的数码照片。
图1b为三维大孔超轻氮化碳的数码照片。
图2为三维大孔超轻氮化碳放置于羽毛上的数码照片。
图3a为三维大孔超轻氮化碳放置于玫瑰花上的数码照片。
图3b为三维大孔超轻氮化碳放置于花瓣上的数码照片。
图4为三维大孔超轻氮化碳的扫描电子显微镜(SEM)照片。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明优选的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
剪取合适大小的市售的三聚氰胺海绵(如图1a所示)，尺寸大小由瓷舟决定。将三聚氰胺海绵浸泡于30mL乙醇中，超声20分钟。将乙醇超声后的三聚氰胺海绵浸泡于30mL去离子水中，超声10分钟。将上述处理后的三聚氰胺海绵置于真空干燥箱中40℃过夜干燥。将干燥后的三聚氰胺海绵置于真空管式炉中，设置程序升温，升温速率1℃/min。在95vol％氮气+5vol％氧气气氛下，600℃煅烧0.5小时，得到三维大孔超轻氮化碳。
图1b为本实施例合成三维大孔超轻氮化碳的数码照片，可以看出白色的三聚氰胺海绵转变成了黑色的三维大孔超轻氮化碳。
图2为所得到的三维大孔超轻氮化碳放置于羽毛上的数码照片，可知其轻质的特点。
为进一步证实此特性，将所得到的材料置于一束玫瑰花上和单独一个花瓣上，花瓣可以轻易的支撑材料的重量而不发生任何形变和破坏，如图3a和图3b所示。
图4是三维大孔超轻氮化碳的扫描电子显微镜图片，相互搭接的三维大孔结构清晰可见，孔径尺寸为几百个微米，约100-500μm。
实施例2
参照实施例1，实施例2除了将实施例1中600℃煅烧0.5小时，调整为570℃煅烧1小时，其他步骤和条件都与实施例1相同，得到三维大孔超轻氮化碳。其也具有实施例1的效果。
实施例3
参照实施例1，实施例3除了实施例1中的600℃煅烧0.5小时，调整为540℃煅烧2小时，其他步骤和条件都与实施例2相同，得到三维大孔超轻氮化碳。其也具有实施例1的效果。
实施例4
参照实施例1，实施例4除了实施例1中的600℃煅烧0.5小时，调整为510℃煅烧3.5小时，其他步骤和条件都与实施例1相同，得到三维大孔超轻氮化碳。其也具有实施例1的效果。
实施例5
参照实施例1，实施例5中除了实施例1中的600℃煅烧0.5小时，调整480℃煅烧6小时，其他步骤和条件都与实施例1相同，得到三维大孔超轻氮化碳。其也具有实施例1的效果。
实施例6
参照实施例1，实施例6中除了实施例1中的设置程序升温，升温速率1℃/min，调整为设置程序升温，升温速率2℃/min,其他步骤和条件都与实施例1相同，得到三维大孔超轻氮化碳。其也具有实施例1的效果。
实施例7
参照实施例1，实施例7中除了实施例1中的95vol％氮气+5vol％氧气，调整为95vol％氦气+5vol％氧气，其他步骤和条件都与实施例1相同，得到三维大孔超轻氮化碳。该三维大孔超轻氮化碳也具有实施例1的效果。
实施例8
参照实施例1，实施例7中除了实施例1中的95vol％氮气+5vol％氧气，调整为95vol％氩气+5vol％氧气，其他步骤和条件都与实施例1相同，得到三维大孔超轻氮化碳。该三维大孔超轻氮化碳也具有实施例1的效果。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种三维大孔超轻氮化碳材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.将三聚氰胺海绵浸泡于乙醇中，超声至少20分钟；
S2.将S1处理后的三聚氰胺海绵浸泡于去离子水中，超声至少10分钟；
S3.将S2处理后的三聚氰胺海绵置于真空干燥箱中干燥；
S4.将干燥后的三聚氰胺海绵置于管式炉中，设置程序升温，升温速率1-2℃/min；在含有惰性气体和氧气的混合气氛下进行煅烧，得到三维大孔超轻氮化碳。
2.根据权利要求1所述的三维大孔超轻氮化碳材料的制备方法，其特征在于，S1中，将三聚氰胺海绵浸泡于20-40mL乙醇中,S2中，将S1处理后的三聚氰胺海绵浸泡于20-40mL去离子水中。
3.根据权利要求1所述的三维大孔超轻氮化碳材料的制备方法，其特征在于，S3中，将S2处理后的三聚氰胺海绵置于真空干燥箱中40-60℃干燥。
4.根据权利要求1所述的三维大孔超轻氮化碳材料的制备方法，其特征在于，S4中，含有惰性气体和氧气的混合气氛为95vol％惰性气体和5vol％氧气的混合气氛,所述惰性气体为氮气、氦气或氩气中的一种。
5.根据权利要求1所述的三维大孔超轻氮化碳材料的制备方法，其特征在于，S4中，煅烧温度为450-600℃，煅烧时间为0.1-8小时。
6.一种三维大孔超轻氮化碳材料，其特征在于，其是由权利要求1-5任一所述的制备方法制得的。
7.根据权利要求6所述的三维大孔超轻氮化碳材料，其特征在于，其孔径大小为100-500μm。
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