一种离子化氮化碳的制备方法与流程

2021-01-31 06:01:24|

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本发明属于材料技术领域，具体涉及一种离子化氮化碳的制备方法。

背景技术：

石墨化碳氮化(g-c3n4)是一种有趣的非金属光催化剂，由于制备工艺简单、生产成本低、具有良好的能带隙和良好的化学稳定性而引起了广泛关注。然而，原始g-c3n4由于其固有的π-π共轭电子系统，导致光产生的载流子分离和迁移缓慢，使其光催化活性受到限制。为了弥补g-c3n4的内在缺陷以提高其性能，通常采取的方式是和其他半导体进行异质结，来促进电子和空穴的分离。这种方法需要涉及到两种以上材料，同时界面处结合并不理想。其实可以使氮化碳表面上带电荷，这样内外可形成电场，促进电子和空穴分离。

由于氮化碳具有氢键和范德华作用力，使其氮化碳非常稳定，很难分散在水溶液中，通常分散浓度为0.2克/升,这样比较影响其光催化性能以及和其他材料的复合。为此，一系列方法，例如：如超声、加热或酸处理，至少部分有效地实现了这一目标，但由于在剥脱或蚀刻过程中产生的损失，这些方法不可避免地导致了氮化碳产量的下降，无法实现真正的均匀分散的氮化碳溶液，另外酸碱的使用，会造成环境污染。为了实现氮化碳在水中高浓度分散以及抑制氮化碳中电子和空穴的重组，发展出一种条件温和、无污染、低成本的制备方法至关重要。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服传统氮化碳在水中分散难的缺点，以及在光的作用下，电子和空穴易重组的缺点，提供一种可以在水中分散性良好，同时可以提高电子和空穴分离的离子化氮化碳材料的制备方法。本发明以反应条件温和、无环境污染、低成本的尿素为前驱体，通过尿素和氯化钠和氯化钾的不同配比的水溶液，溶液直接快速加热法来制备离子化氮化碳。

本发明提出的一种离子化氮化碳的制备方法，具体步骤如下：

（1）将氯化钠和氯化钾加入含有尿素的水溶液中，混合均匀后，在溶液直接快速加热条件下反应，得到离子化氮化碳；其中：所述尿素浓度为0.1-18摩尔/升，氯化钠的浓度为0.01-6.16摩尔/升，氯化钾的浓度为0.01-4.58摩尔/升；

（2）将步骤（1）得到的离子化氮化碳进行透析、离心或过滤处理，以除去杂质，得到离子化氮化碳的水溶液；

（3）将步骤（2）得到的离子化氮化碳的水溶液进行干燥处理，得到离子化氮化碳的粉体；

（4）将步骤（3）得到的离子化氮化碳粉体，高浓度分散在水中，得到离子化氮化碳的凝胶。

本发明中，步骤（1）中氯化钠和氯化钾的含量可以超过它们自身的饱和浓度，即可以有部分氯化钠和氯化钾未溶解。

本发明中，步骤（1）溶液直接快速加热条件的先在200-300℃快速反应10-20分钟,然后以2-10℃/分钟升温到400-600℃，加热反应时间为2-5小时。

本发明中，步骤（1）所述加热条件为空气。

本发明中，步骤（3）所述干燥处理为冷冻干燥、喷雾干燥或超临界二氧化碳干燥中的一种或它们的组合。

本发明的有益效果在于：针对现有技术存在的不足，本发明人经过长期的实践与研究，提出了本发明的技术方法，该方法可实现氮化碳表面上带有负电荷，在水中分散性良好，并且可以抑制电子和空穴重组。在本发明的技术路线中，无酸碱等有害的反应条件，解决了离子化氮化碳规模化制备和结构调控的关键问题，为实现氮化碳在催化、传感、光电等领域的应用提供了一种有效途径。本发明原料价格低廉，反应条件温和，不需要强酸或者强碱，也不需要高压或真空，不会对环境造成污染。所得的离子化氮化碳为片状结构，尺寸为50-200纳米，同时可以均匀分散在水溶液中;当浓度高达200毫克/毫升时,不需要加入交联剂，5分钟内即可在室温下形成凝胶。在红外光谱中可以看到，离子化氮化碳表面修饰了羟基和氰基官能团。在荧光光光谱中，可以看到离子化氮化碳比普通氮化碳荧光强度降低了将近10倍，抑制了电子和空穴的重组，有利于提高光催化性能。本发明制备的离子化氮化碳可应用于光电催化、化学传感、光电器件等领域。优异的分散性质赋予氮化碳可以和其他物质形成复合材料，同时表面带电荷可以抑制电子和空穴的重组，有利于光催化性能。

附图说明

图1为所得的离子化氮化碳的透射电镜图。

图2为离子化氮化碳和普通氮化碳的红外光谱图。

图3为所得离子化氮化碳分散在水中以及丁达尔效应的图。

图4为所得的高浓度离子化氮化碳形成凝胶图（从左到右为：离子化氮化碳形成凝胶、传统氮化碳未形成凝胶）。

图5为传统氮化碳和离子化氮化碳的荧光光谱图（从上到下为：传统氮化碳、离子化氮化碳）。

具体实施方式

以下通过具体实例说明本发明的技术方案。应该理解，本发明提到的一个或多个步骤不排斥在所述组合步骤前后还存在其它方法和步骤，或者这些明确提及的步骤之间还可以插入其它方法和步骤。还应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。除非另有说明，各方法步骤的编号仅为鉴别各方法步骤的目的，而非为限制每个方法的排列次序或限定本发明的实施范围，其相对关系的改变或调整，在无实质技术内容变更的条件下，当亦视为本发明可实施的范畴。

实施例1：

（1）将4g氯化钠、4g氯化钾和8g尿素溶解在10毫升去离子水中，搅拌，直至不能再溶解得到前驱体母液；

（2）将步骤（1）中得到的前驱体母液在马弗炉300℃中快速加热15分钟，然后以10℃/分钟加热到500℃，在500℃时烧结120分钟，然后取出，在室温中自然冷却；

（3）将步骤（2）中得到的氮化碳进行过滤；

（4）将步骤（3）中得到的氮化碳进行冷冻干燥。

本实施例制备的离子化氮化碳透射电镜图如图1所示。

本实施例制备的离子化氮化碳的红外光谱图如图2所示。在图中可以看到氨基和羟基的振动峰。

本实施例制备的离子化氮化碳以1毫克/毫升浓度分散在水中，产生丁达尔效应，如图3所示。

实施例2：

（1）将4g氯化钠、4g氯化钾和8g尿素溶解在10毫升去离子水中，搅拌，直至不能再溶解得到前驱体母液；

（2）将步骤（1）中得到的前驱体母液在马弗炉300℃中快速加热15分钟，然后以10℃/分钟加热到500℃，在500℃时烧结120分钟.，然后取出，在室温中自然冷却；

（3）将步骤（2）中得到的氮化碳进行过滤；