CN111744523A - 一种氮掺杂碳纳米片、其制备方法及其应用 - Google Patents
一种氮掺杂碳纳米片、其制备方法及其应用 Download PDFInfo
- Publication number
- CN111744523A CN111744523A CN202010645320.8A CN202010645320A CN111744523A CN 111744523 A CN111744523 A CN 111744523A CN 202010645320 A CN202010645320 A CN 202010645320A CN 111744523 A CN111744523 A CN 111744523A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- nitrogen
- doped carbon
- aromatic hydrocarbon
- template
- preparation
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 106
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 99
- 239000002135 nanosheet Substances 0.000 title claims abstract description 77
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 30
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 42
- 150000004945 aromatic hydrocarbons Chemical class 0.000 claims abstract description 42
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 claims abstract description 38
- 238000003763 carbonization Methods 0.000 claims abstract description 38
- YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N Toluene Chemical compound CC1=CC=CC=C1 YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 30
- 239000011846 petroleum-based material Substances 0.000 claims abstract description 27
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 23
- 239000002243 precursor Substances 0.000 claims abstract description 22
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 21
- 239000012299 nitrogen atmosphere Substances 0.000 claims abstract description 16
- 230000002687 intercalation Effects 0.000 claims abstract description 13
- 238000009830 intercalation Methods 0.000 claims abstract description 13
- 238000000227 grinding Methods 0.000 claims abstract description 12
- QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N nitrogen group Chemical group [N] QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 11
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims abstract description 10
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 8
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 claims abstract description 5
- 238000004523 catalytic cracking Methods 0.000 claims description 19
- 239000002002 slurry Substances 0.000 claims description 19
- 239000002064 nanoplatelet Substances 0.000 claims description 9
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 claims description 8
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 7
- -1 nitrogen-containing small molecules Chemical class 0.000 claims description 7
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 6
- XZMCDFZZKTWFGF-UHFFFAOYSA-N Cyanamide Chemical compound NC#N XZMCDFZZKTWFGF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- XSQUKJJJFZCRTK-UHFFFAOYSA-N Urea Chemical compound NC(N)=O XSQUKJJJFZCRTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 239000004202 carbamide Substances 0.000 claims description 5
- 229920000877 Melamine resin Polymers 0.000 claims description 4
- JDSHMPZPIAZGSV-UHFFFAOYSA-N melamine Chemical compound NC1=NC(N)=NC(N)=N1 JDSHMPZPIAZGSV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 239000010426 asphalt Substances 0.000 claims description 3
- QGBSISYHAICWAH-UHFFFAOYSA-N dicyandiamide Chemical compound NC(N)=NC#N QGBSISYHAICWAH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229960000789 guanidine hydrochloride Drugs 0.000 claims description 3
- PJJJBBJSCAKJQF-UHFFFAOYSA-N guanidinium chloride Chemical compound [Cl-].NC(N)=[NH2+] PJJJBBJSCAKJQF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 235000010299 hexamethylene tetramine Nutrition 0.000 claims description 3
- VKYKSIONXSXAKP-UHFFFAOYSA-N hexamethylenetetramine Chemical compound C1N(C2)CN3CN1CN2C3 VKYKSIONXSXAKP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- ZFSLODLOARCGLH-UHFFFAOYSA-N isocyanuric acid Chemical compound OC1=NC(O)=NC(O)=N1 ZFSLODLOARCGLH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 238000010525 oxidative degradation reaction Methods 0.000 claims description 3
- 239000000356 contaminant Substances 0.000 claims 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 abstract description 13
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 abstract description 13
- 238000005087 graphitization Methods 0.000 abstract description 7
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 4
- 239000003403 water pollutant Substances 0.000 abstract 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 15
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 13
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 12
- 238000004626 scanning electron microscopy Methods 0.000 description 10
- 238000004627 transmission electron microscopy Methods 0.000 description 10
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 9
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 7
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 6
- WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N Glucose Natural products OC[C@H]1OC(O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@@H]1O WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N 0.000 description 4
- 238000001354 calcination Methods 0.000 description 4
- 239000008103 glucose Substances 0.000 description 4
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 description 4
- HDMGAZBPFLDBCX-UHFFFAOYSA-M potassium;sulfooxy sulfate Chemical compound [K+].OS(=O)(=O)OOS([O-])(=O)=O HDMGAZBPFLDBCX-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 4
- 239000004098 Tetracycline Substances 0.000 description 3
- 125000003118 aryl group Chemical group 0.000 description 3
- 239000003344 environmental pollutant Substances 0.000 description 3
- 150000007524 organic acids Chemical class 0.000 description 3
- 231100000719 pollutant Toxicity 0.000 description 3
- 229960002180 tetracycline Drugs 0.000 description 3
- 229930101283 tetracycline Natural products 0.000 description 3
- 235000019364 tetracycline Nutrition 0.000 description 3
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 2
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 2
- 125000005575 polycyclic aromatic hydrocarbon group Chemical group 0.000 description 2
- 150000003141 primary amines Chemical class 0.000 description 2
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 150000003522 tetracyclines Chemical class 0.000 description 2
- XMWRBQBLMFGWIX-UHFFFAOYSA-N C60 fullerene Chemical class C12=C3C(C4=C56)=C7C8=C5C5=C9C%10=C6C6=C4C1=C1C4=C6C6=C%10C%10=C9C9=C%11C5=C8C5=C8C7=C3C3=C7C2=C1C1=C2C4=C6C4=C%10C6=C9C9=C%11C5=C5C8=C3C3=C7C1=C1C2=C4C6=C2C9=C5C3=C12 XMWRBQBLMFGWIX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 description 1
- 238000002835 absorbance Methods 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 230000003213 activating effect Effects 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 1
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 description 1
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 description 1
- 238000010000 carbonizing Methods 0.000 description 1
- 125000003178 carboxy group Chemical group [H]OC(*)=O 0.000 description 1
- 238000013270 controlled release Methods 0.000 description 1
- 230000000593 degrading effect Effects 0.000 description 1
- 238000003795 desorption Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 229940079593 drug Drugs 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 229910003472 fullerene Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000002791 glucosyl group Chemical group C1([C@H](O)[C@@H](O)[C@H](O)[C@H](O1)CO)* 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 1
- 229910052755 nonmetal Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 230000000379 polymerizing effect Effects 0.000 description 1
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 1
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 1
- OFVLGDICTFRJMM-WESIUVDSSA-N tetracycline Chemical compound C1=CC=C2[C@](O)(C)[C@H]3C[C@H]4[C@H](N(C)C)C(O)=C(C(N)=O)C(=O)[C@@]4(O)C(O)=C3C(=O)C2=C1O OFVLGDICTFRJMM-WESIUVDSSA-N 0.000 description 1
- 238000001132 ultrasonic dispersion Methods 0.000 description 1
- 238000000870 ultraviolet spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 238000005303 weighing Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J27/00—Catalysts comprising the elements or compounds of halogens, sulfur, selenium, tellurium, phosphorus or nitrogen; Catalysts comprising carbon compounds
- B01J27/24—Nitrogen compounds
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
- C01B32/15—Nano-sized carbon materials
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
- C02F1/72—Treatment of water, waste water, or sewage by oxidation
- C02F1/725—Treatment of water, waste water, or sewage by oxidation by catalytic oxidation
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F2101/00—Nature of the contaminant
- C02F2101/30—Organic compounds
- C02F2101/38—Organic compounds containing nitrogen
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Hydrology & Water Resources (AREA)
- Environmental & Geological Engineering (AREA)
- Water Supply & Treatment (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
Abstract
本发明公开了一种氮掺杂碳纳米片、其制备方法及其应用，属于材料制备技术领域。该制备方法包括以下步骤：将富含芳烃组分的石油基材料与含氮小分子混合分散于甲苯溶液中，60‑90℃下将甲苯完全蒸除，经过研磨得到混合均匀的前驱体；将所述混合均匀的前驱体在氮气氛围下进行一次高温碳化，得到二维g‑C3N4模板插层的碳材料；将上述二维g‑C3N4模板插层的碳材料进行充分研磨，在氮气氛围下进行二次高温热处理去除模板，得到氮掺杂碳纳米片。本发明应用于水污染物降解方面，解决了现有氮掺杂碳纳米片制备方法成本高、氮掺杂量低的问题，具有制备成本低、氮掺杂量高、碳材料薄、石墨化程度高、性能优异的特点。
Description
技术领域
本发明属于材料制备技术领域，尤其涉及一种氮掺杂碳纳米片、其制备方法及其应用。
背景技术
碳材料包括富勒烯、碳纳米管、碳纤维、石墨烯、碳纳米片、多孔碳等，其中，碳纳米片作为新型的二维碳基材料，受到越来越多的关注。碳纳米片在结构上是具有大量石墨烯层状结构的非支撑二维层状碳纳米材料，其结构介于石墨烯和石墨之间，同时具有石墨烯和石墨的出色性能。因此，碳纳米片在吸附、催化剂、电磁波吸收材料、药物控释、超级电容器等领域具有广泛的应用前景。然而，单一的碳材料化学活性低，分散性和离子亲和性差等一系列的缺陷限制了其发展应用。
中国专利CN201911029256.4公开了一种氮掺杂碳纳米片的制备方法，包括如下步骤：提供有机酸和有机伯胺，所述有机酸含有羧基；将所述有机酸和有机伯胺溶于溶剂中进行加热处理，然后烘干得到前驱体；将所述前驱体进行煅烧碳化，得到氮掺杂碳纳米片。然而，该制备方法具有原料成本高、氮掺杂量低的问题。
发明内容
针对现有技术存在的不足之处，本发明所要解决的技术问题是克服现有氮掺杂碳纳米片制备方法成本高、氮掺杂量低的问题，提出一种具有制备成本低、氮掺杂量高、碳材料薄、石墨化程度高、性能优异的一种氮掺杂碳纳米片、其制备方法及其应用。
为解决所述技术问题，本发明采用的技术方案为：
本发明一方面提供了一种氮掺杂碳纳米片的制备方法，包括以下步骤：将富含芳烃组分的石油基材料与含氮小分子混合分散于甲苯溶液中，60-90℃下将甲苯完全蒸除，经过研磨得到混合均匀的前驱体；将所述混合均匀的前驱体在氮气氛围下进行一次高温碳化，得到二维g-C3N4模板插层的碳材料；对上述二维g-C3N4模板插层的碳材料进行充分研磨，在氮气氛围下进行二次高温热处理去除模板，得到氮掺杂碳纳米片。
优选的，所述富含芳烃组分的石油基材料为催化裂化油浆、减压渣油或沥青中的任意一种，所述富含芳烃组分的石油基材料的芳烃含量不低于30％。
优选的，所述富含芳烃组分的石油基材料为催化裂化油浆。
优选的，所述富含芳烃组分的石油基材料与含氮小分子的质量比为1：(2-10)。
优选的，将所述混合均匀的前驱体在氮气氛围下进行一次高温碳化的反应条件为：升温速率为0.5-3℃/min，碳化温度为500-600℃，碳化时间为1-6h。
优选的，所述对上述二维g-C3N4模板插层的碳材料进行二次高温热处理的反应条件为：升温速率为2-10℃/min，碳化温度为700-1000℃，碳化时间为1-6h。
优选的，所述碳化温度为800℃。
优选的，所述含氮小分子包括氰胺、二氰二胺、三聚氰胺、三聚氰酸、尿素、盐酸胍或乌洛托品中的至少一种。
本发明另一方面还提供了以上任一技术方案所述的氮掺杂碳纳米片的制备方法制备得到的氮掺杂碳纳米片。
本发明还提供了氮掺杂碳纳米片作为催化剂在氧化降解水中污染物方面的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明提供一种氮掺杂碳纳米片的制备方法，选用富含芳烃组分的石油基材料为原料，降低了制备成本，且与二维g-C3N4模板具有强π-π作用，合成的碳材料薄、石墨化程度高、氮掺杂含量高，材料的结构性能优异；
2、本发明提供一种氮掺杂碳纳米片，其含氮量可达20％。
附图说明：
图1为本发明实施例1制备得到的氮掺杂碳纳米片SEM(左)及TEM(右)示意图；
图2为本发明实施例2制备得到的氮掺杂碳纳米片SEM(左)及TEM(右)示意图；
图3为本发明实施例3制备得到的氮掺杂碳纳米片SEM(左)及TEM(右)示意图；
图4为本发明实施例4制备得到的氮掺杂碳纳米片SEM(左)及TEM(右)示意图；
图5为本发明实施例5制备得到的氮掺杂碳纳米片SEM(左)及TEM(右)示意图；
图6为本发明实施例6制备得到的氮掺杂碳纳米片SEM(左)及TEM(右)示意图；
图7为本发明实施例7制备得到的氮掺杂碳纳米片SEM(左)及TEM(右)示意图；
图8为本发明对比例1制备得到的氮掺杂碳纳米片SEM(左)及TEM(右)示意图；
图9为本发明实施例1制备得到的氮掺杂碳纳米片催化降解活性示意图；
图10为本发明实施例2制备得到的氮掺杂碳纳米片催化降解活性示意图；
图11为本发明实施例3制备得到的氮掺杂碳纳米片催化降解活性示意图；
图12为本发明实施例4制备得到的氮掺杂碳纳米片催化降解活性示意图；
图13为本发明实施例5制备得到的氮掺杂碳纳米片催化降解活性示意图；
图14为本发明实施例6制备得到的氮掺杂碳纳米片催化降解活性示意图；
图15为本发明实施例7制备得到的氮掺杂碳纳米片催化降解活性示意图；
图16为本发明对比例1制备得到的氮掺杂碳纳米片催化降解活性示意图。
具体实施方式：
下面将对本发明具体实施例中的技术方案进行详细、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明总的技术方案的部分具体实施方式，而非全部的实施方式。基于本发明的总的构思，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都落于本发明保护的范围。
本发明提供了一种氮掺杂碳纳米片的制备方法，包括以下步骤：
将富含芳烃组分的石油基材料与含氮小分子混合分散于甲苯溶液中，60-90℃下将甲苯完全蒸除，经过研磨得到混合均匀的前驱体；
将所述混合均匀的前驱体在氮气氛围下进行一次高温碳化，得到二维g-C3N4模板插层的碳材料；
对上述二维g-C3N4模板插层的碳材料进行充分研磨，在氮气氛围下进行二次高温热处理去除模板，得到氮掺杂碳纳米片。
该制备方法以富含芳烃组分的石油基材料作为原料降低了制备成本，且合成的碳材料薄、石墨化程度高、氮掺杂含量高，材料的结构性能优异；具体的，该制备方法首先制备得到混合均匀的前驱体，有利于原料分散均匀，更加利于一次碳化过程模板在碳材料中的均匀插层，这样做出来的碳材料才会更加均匀、厚度更薄。若直接将其混合，效果不佳。在一次高温碳化过程中，含氮小分子会聚合形成二维薄层g-C3N4模板，然后与富含芳烃组分的石油基材料相互作用得到模板均匀插层的碳材料。
在一优选实施例中，所述含芳烃组分的石油基材料为含芳烃组分的催化裂化油浆、减压渣油或沥青中的任意一种，所述富含芳烃组分的石油基材料的芳烃含量不低于30％。本实施例具体限定了芳烃含量，原因在于芳烃含量越高，其与g-C3N4的结合作用会更强，做出来的碳材料效果更好。
在一优选实施例中，所述富含芳烃组分的石油基材料为催化裂化油浆。上述步骤中限定了富含芳烃组分的石油基材料为催化裂化油浆，原因在于，含芳烃组分的催化裂化油浆中的稠环芳烃与能够与在一次高温碳化时含氮小分子聚合形成的g-C3N4形成强π-π作用，实现二维g-C3N4模板在碳材料中插层，合成三明治状的插层结构，使得制备得到的氮掺杂碳纳米片更薄、石墨化程度更高、氮掺杂含量也更高，材料的结构性能更加优异。如果采用除含芳烃组分的催化裂化油浆以外的其它含芳烃组分的石油基材料作为原料，则其与g-C3N4相互作用相对较差，其结构性能受到相应的影响。另外，该步骤对制备得到的二维g-C3N4模板插层的碳材料进行二次高温热处理，能够产生气体实现碳材料剥离，同时对碳材料进行掺杂，合成高氮掺杂的碳纳米片。
在一优选实施例中，所述富含芳烃组分的石油基材料与含氮小分子的质量比为1：(2-10)。该技术方案具体限定了含芳烃组分的催化裂化油浆与所述含氮小分子的混合比例，原因在于，在该比例范围内能够保证产物的结构性能的前提下，实现了原料的最大利用率。需要说明的是，所述混合比例还可以为1:3、1:4、1:5、1:6、1:7、1:8、1:9及其范围内的任一点值比。
在一优选实施例中，将所述混合均匀的前驱体在氮气氛围下进行一次高温碳化的反应条件为：升温速率为0.5-3℃/min，碳化温度为500-600℃，碳化时间为1-6h。需要说明的是，所述升温速率还可以为1.0℃/min、1.5℃/min、2.0℃/min、2.5℃/min及其范围内的任意点值；所述碳化温度还可以为520℃、550℃及其范围内的任意点值；所述碳化时间还可以为2h、3h、4h、5h及其范围内的任意点值。
在一优选实施例中，所述对上述二维g-C3N4模板插层的碳材料进行二次高温热处理的反应条件为：升温速率为2-10℃/min，碳化温度为700-1000℃，碳化时间为1-6h。需要说明的是，所述升温速率还可以为3℃/min、4℃/min、5℃/min、6℃/min、7℃/min、8℃/min、9℃/min及其范围内的任意点值；所述碳化温度还可以为750℃、800℃、850℃、900℃、950℃及其范围内的任意点值。
在一优选实施例中，所述碳化温度为800℃。该技术方案具体限定了二次高温热处理的碳化温度为800℃，原因在于，在该温度下制备得到的氮掺杂碳纳米片在形貌及氮含量方面的综合性能最好。
在一优选实施例中，所述含氮小分子包括氰胺、二氰二胺、三聚氰胺、三聚氰酸、尿素、盐酸胍或乌洛托品中的至少一种。该技术方案具体限定了含氮小分子的种类，需要说明的，所述含氮小分子还可以是本领域技术人员在本领域结合公知常识而选择的其它物质。
本发明另一方面还提供了以上任一技术方案所述的氮掺杂碳纳米片的制备方法制备得到的氮掺杂碳纳米片。该氮掺杂碳纳米片的含氮量最高可达20％。
本发明还提供了氮掺杂碳纳米片作为催化剂在氧化降解水中污染物方面的应用。具体的，氮掺杂碳纳米片可作为非金属催化剂，用于活化过硫酸氢钾(PMS)，通过高级氧化降解水中污染物。
为了更清楚详细地介绍本发明实施例所提供的氮掺杂碳纳米片、其制备方法及其应用，下面将结合具体实施例进行描述。
实施例1
将富含芳烃组分的催化裂化油浆与三聚氰胺按照比例为1:4的比例混合分散于甲苯溶液中，在90℃下将甲苯完全蒸除，经过研磨得到混合均匀的前驱体；
将上述混合均匀的前驱体在氮气氛围下，在升温速率为1.0℃/min，碳化温度为550℃，碳化时间为3h下进行一次高温碳化，得到二维g-C3N4模板插层的碳材料；
对上述二维g-C3N4模板插层的碳材料进行充分研磨，在氮气氛围，升温速率为5℃/min，碳化温度为800℃下进行二次高温热处理，去除模板，得到氮掺杂碳纳米片。
实施例2
氮掺杂碳纳米片的制备方法同实施例1，不同之处在于，碳源为沥青。
实施例3
氮掺杂碳纳米片的制备方法同实施例1，不同之处在于，碳源为减压渣油。
实施例4
氮掺杂碳纳米片的制备方法同实施例1，不同之处在于，二次高温热处理的碳化温度为700℃。
实施例5
氮掺杂碳纳米片的制备方法同实施例1，不同之处在于，二次高温热处理的碳化温度为1000℃。
实施例6
混合均匀的前驱体的制备方法同实施例1，不同之处在于，含氮小分子为氰胺，富含芳烃组分的催化裂化油浆与氰胺的混合比例为1:2；
将上述混合均匀的前驱体在氮气氛围下，在升温速率为1.5℃/min，碳化温度为500℃，碳化时间为6h下进行一次高温碳化，得到二维g-C3N4模板插层的碳材料；
对上述二维g-C3N4模板插层的碳材料行充分研磨，在氮气氛围，升温速率为2℃/min，碳化温度为700℃下进行二次高温热处理，去除模板，得到氮掺杂碳纳米片。
实施例7
混合均匀的前驱体的制备方法同实施例1，不同之处在于，含氮小分子为尿素，含芳烃组分的催化裂化油浆与尿素的混合比例为1:10；
将上述混合均匀的前驱体在氮气氛围下，在升温速率为0.5℃/min，碳化温度为600℃，碳化时间为1h下进行一次高温碳化，得到二维g-C3N4模板插层的碳材料；
对上述二维g-C3N4模板插层的碳材料进行充分研磨，在氮气氛围，升温速率为10℃/min，碳化温度为1000℃下进行二次高温热处理，去除模板，得到氮掺杂碳纳米片。
对比例1
氮掺杂碳纳米片的制备方法同实施例1，不同之处在于，碳源为葡萄糖。
性能测试：
对上述实施例1-7，及对比例1制备的得到的氮掺杂碳纳米片进行扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)及元素含量测试，SEM、TEM测试结果如图1-图8所示，元素含量测试结果如表1所示。
表1元素含量测试结果
由表1可以发现，氮掺杂碳纳米片主要由碳、氮、氧3种元素组成。其中，碳源种类及二次煅烧温度对氮含量的影响最大，具体的，富含芳烃组分的石油基材料的产氮量要远高于葡萄糖；对于二次煅烧温度，煅烧温度越高，产氮量越低，其中800℃最优，制备得到的氮掺杂碳纳米片含氮量可>20％。
由图1-8可以发现，含芳烃组分的催化裂化油浆中的稠环芳烃与能够与在一次高温碳化时含氮小分子聚合形成的g-C3N4形成强π-π作用，实现二维g-C3N4模板在碳材料中插层，合成三明治状的插层结构，使得制备得到的氮掺杂碳纳米片更薄、石墨化程度更高、氮掺杂含量也更高，材料的结构性能更加优异。如果采用除含芳烃组分的催化裂化油浆以外的其它含芳烃组分的石油基材料作为原料，则其与g-C3N4相互作用相对较差，其结构性能受到相应的影响。另外，该步骤对制备得到的二维g-C3N4模板插层的碳材料进行二次高温热处理，能够产生气体实现碳材料剥离，同时对碳材料进行掺杂，合成高氮掺杂的碳纳米片。即以芳烃组分的催化裂化油浆作为碳源制备得到的氮掺杂碳纳米片相比于以除含芳烃组分的催化裂化油浆以外的其它含芳烃组分的石油基材料作为碳源制备得到的氮掺杂碳纳米片更薄、石墨化程度更高、氮掺杂含量也更高，材料的结构性能更加优异，而以除含芳烃组分的催化裂化油浆以外的其它含芳烃组分的石油基材料作为碳源制备得到的氮掺杂碳纳米片相较于以葡萄糖作为碳源制备得到的氮掺杂碳纳米片性能更优。
采用实施例1-7及对比例1制备的得到的氮掺杂碳纳米片作为催化剂，进行催化活性评价，实验过程如下：量取50mL浓度为20mg/L的四环素(TC)溶液于100mL烧杯中，准确称取催化剂(即实施例1-7及对比例1制备得到的氮掺杂碳纳米片)10mg加入上述溶液中，超声分散均匀后在室温下搅拌使其达到吸附脱附平衡，然后加入10mg过硫酸氢钾(PMS)进行反应，在一定时间间隔内取2mL四环素溶液于离心管中，经过0.45μm过滤头过滤后于紫外-可见分光光度计测试样品的吸光度。催化降解结果如表2，及图9-图16所示。
表2催化降解测试结果
| 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | 实施例5 | 实施例6 | 实施例7 | 对比例1 | |
| 降解率(％) | 90.9 | 80.9 | 80.0 | 88.1 | 88.5 | 79.7 | 84.0 | 18.2 |
由上述结果可以发现，相比于以葡萄糖作为碳源制备得到的氮掺杂碳纳米片，本发明实施例1-7以富含芳烃组分的石油基材料为碳源制备得到的氮掺杂碳纳米片的催化降解效率更高。需要说明的是，在富含芳烃组分的石油基材料中，以富含芳烃组分的催化裂化油浆作为碳源制备得到的氮掺杂碳纳米片的催化活性最高。
Claims (10)
1.一种氮掺杂碳纳米片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将富含芳烃组分的石油基材料与含氮小分子混合分散于甲苯溶液中，60-90℃下将甲苯完全蒸除，经过研磨得到混合均匀的前驱体；
将所述混合均匀的前驱体在氮气氛围下进行一次高温碳化，得到二维g-C3N4模板插层的碳材料；
对上述二维g-C3N4模板插层的碳材料进行充分研磨，在氮气氛围下进行二次高温热处理去除模板，得到氮掺杂碳纳米片。
2.根据权利要求1所述的氮掺杂碳纳米片的制备方法，其特征在于，所述富含芳烃组分的石油基材料为催化裂化油浆、减压渣油或沥青中的任意一种，所述富含芳烃组分的石油基材料的芳烃含量不低于30％。
3.根据权利要求1所述的氮掺杂碳纳米片的制备方法，其特征在于，所述富含芳烃组分的石油基材料为催化裂化油浆。
4.根据权利要求1所述的氮掺杂碳纳米片的制备方法，其特征在于，所述富含芳烃组分的石油基材料与含氮小分子的质量比为1：(2-10)。
5.根据权利要求1所述的氮掺杂碳纳米片的制备方法，其特征在于，将所述混合均匀的前驱体在氮气氛围下进行一次高温碳化的反应条件为：升温速率为0.5-3℃/min，碳化温度为500-600℃，碳化时间为1-6h。
6.根据权利要求1所述的氮掺杂碳纳米片的制备方法，其特征在于，所述对上述二维g-C3N4模板插层的碳材料进行二次高温热处理的反应条件为：升温速率为2-10℃/min，碳化温度为700-1000℃，碳化时间为1-6h。
7.根据权利要求6所述的氮掺杂碳纳米片的制备方法，其特征在于，所述碳化温度为800℃。
8.根据权利要求1所述的氮掺杂碳纳米片的制备方法，其特征在于，所述含氮小分子包括氰胺、二氰二胺、三聚氰胺、三聚氰酸、尿素、盐酸胍或乌洛托品中的至少一种。
9.根据权利要求1-8任一项所述的氮掺杂碳纳米片的制备方法制备得到的氮掺杂碳纳米片。
10.根据权利要求9所述的氮掺杂碳纳米片作为催化剂在氧化降解水中污染物方面的应用。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010645320.8A CN111744523B (zh) | 2020-07-06 | 2020-07-06 | 一种氮掺杂碳纳米片、其制备方法及其应用 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010645320.8A CN111744523B (zh) | 2020-07-06 | 2020-07-06 | 一种氮掺杂碳纳米片、其制备方法及其应用 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN111744523A true CN111744523A (zh) | 2020-10-09 |
| CN111744523B CN111744523B (zh) | 2023-10-31 |
Family
ID=72679803
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202010645320.8A Active CN111744523B (zh) | 2020-07-06 | 2020-07-06 | 一种氮掺杂碳纳米片、其制备方法及其应用 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN111744523B (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113322668A (zh) * | 2021-04-21 | 2021-08-31 | 北京化工大学 | 一种负载氮化碳的中间相沥青基碳纤维的制备方法和应用 |
| CN115849341A (zh) * | 2022-12-21 | 2023-03-28 | 华东理工大学 | 一种氮化碳衍生氮掺杂碳材料的制备方法和应用 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103265008A (zh) * | 2013-05-21 | 2013-08-28 | 大连理工大学 | 一种氮掺杂多孔炭及其制备方法 |
| CN107362819A (zh) * | 2017-07-20 | 2017-11-21 | 中国石油大学(华东) | 一种石油沥青基非金属催化剂的制备方法及应用 |
| CN108584931A (zh) * | 2018-07-10 | 2018-09-28 | 中国石油大学(北京) | 重油残渣基氮掺杂多孔石墨烯制备方法及所得多孔石墨烯 |
| CN110743588A (zh) * | 2019-10-10 | 2020-02-04 | 西安建筑科技大学 | 一种氮掺杂生物炭催化材料及其制备方法与应用 |
-
2020
- 2020-07-06 CN CN202010645320.8A patent/CN111744523B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103265008A (zh) * | 2013-05-21 | 2013-08-28 | 大连理工大学 | 一种氮掺杂多孔炭及其制备方法 |
| CN107362819A (zh) * | 2017-07-20 | 2017-11-21 | 中国石油大学(华东) | 一种石油沥青基非金属催化剂的制备方法及应用 |
| CN108584931A (zh) * | 2018-07-10 | 2018-09-28 | 中国石油大学(北京) | 重油残渣基氮掺杂多孔石墨烯制备方法及所得多孔石墨烯 |
| CN110743588A (zh) * | 2019-10-10 | 2020-02-04 | 西安建筑科技大学 | 一种氮掺杂生物炭催化材料及其制备方法与应用 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| ZHUCHEN LIU等: "Synthesis of Ultralight N‑Rich Porous Graphene Nanosheets Derived from Fluid Catalytic Cracking Slurry and Their Electromagnetic Wave Absorption Properties" * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113322668A (zh) * | 2021-04-21 | 2021-08-31 | 北京化工大学 | 一种负载氮化碳的中间相沥青基碳纤维的制备方法和应用 |
| CN115849341A (zh) * | 2022-12-21 | 2023-03-28 | 华东理工大学 | 一种氮化碳衍生氮掺杂碳材料的制备方法和应用 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN111744523B (zh) | 2023-10-31 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Song et al. | Synthesis of sustainable lignin-derived mesoporous carbon for supercapacitors using a nano-sized MgO template coupled with Pluronic F127 | |
| Pourjavadi et al. | Novel synthesis route for preparation of porous nitrogen-doped carbons from lignocellulosic wastes for high performance supercapacitors | |
| CN106902856A (zh) | 石墨相氮化碳催化剂的制备方法及其在氧化h2s方面的应用 | |
| US11319636B2 (en) | Method for preparing an ordered porous carbon material with inexpensive carbon black, ordered porous carbon material and use thereof | |
| CN107934931B (zh) | 一种改性石墨相氮化碳及其制备方法和应用 | |
| CN109987604A (zh) | 一种多孔碳材料及其制备方法 | |
| CN111744523B (zh) | 一种氮掺杂碳纳米片、其制备方法及其应用 | |
| CN112973625B (zh) | 一种木质素基碳纳米管及其制备方法和应用 | |
| WO2011105336A1 (ja) | 水素吸蔵炭素材料 | |
| CN101613100A (zh) | 生物质基的石墨化碳及碳-碳复合材料的微波制备方法 | |
| CN112479199A (zh) | 一种氮、磷、氧共掺杂多孔石墨化碳纳米片的制备方法 | |
| Fu et al. | Porous carbon nano-sheets as excellent carbocatalysts for organic pollutant removal via persulfate activation: the role of the sp 2/sp 3 carbon ratio | |
| CN112028074A (zh) | 一种分级孔活性炭可调控制备方法及应用 | |
| Wang et al. | Polydopamine-coated graphene nanosheets as efficient electrocatalysts for oxygen reduction reaction | |
| Xie et al. | Effect of structural and compositional alterations on the specific capacitance of hazelnut shell activated carbon | |
| KR20210128176A (ko) | 그래핀-탄소나노튜브 복합체의 제조방법 | |
| Zhao et al. | Tuning the pore architectures of hierarchically porous carbons from high internal phase emulsion template by polyaniline-coated CNTs | |
| CN110683538A (zh) | 氮磷共掺杂分级多孔碳材料的制备方法 | |
| CN110980719A (zh) | 一种多孔石墨化空心碳微球的制备方法 | |
| CN108821266B (zh) | 一种氮掺杂石墨烯的制备方法 | |
| Meng et al. | Synthesis of N-doped carbon by microwave-assisited pyrolysis ionic liquid for lithium-ion batteries | |
| CN115497749B (zh) | 一种烟梗基多孔炭材料及其制备方法与在超级电容器中的应用 | |
| CN111377446A (zh) | 一种高热稳定性氮硼双掺杂腐植酸基多孔炭材料的制备方法 | |
| Gou et al. | Effect of anion species on preparation and properties of pitch-based activated carbon fibers by in-situ catalytic activation of metal nanoparticles | |
| CN111908443A (zh) | 一种自掺杂多孔碳的制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |