CN105800571A - 一种二维纳米片碳氮材料的制备方法 - Google Patents

一种二维纳米片碳氮材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种成本低廉，过程易于控制的二维纳米片碳氮材料的制备方法，包括以下步骤：1)将三聚氰胺粉末加热到500℃～600℃并保温2～8h，然后冷却，得到固体块状黄色g‑C3N4，之后制成粉末，得到黄色粉末；2)将黄色粉末加入乙醇胺，混合均匀，得到均匀悬浊液，将均匀悬浊液在50℃～200℃保温2～8h，之后冷却，得到反应产物，反应产物经后处理得到二维纳米片碳氮材料。本发明采用热解法和溶剂热法，该制备方法成本低廉，易于控制，产物合成产量高，工艺相对简单。

Description

一种二维纳米片碳氮材料的制备方法
技术领域
本发明涉及碳氮材料的制备领域，具体涉及一种二维纳米片碳氮材料的制备方法。
背景技术
碳氮材料一直由于在电学，力学，光学等方面表现出非常优异的性能而始终备受关注。例如，类石墨相氮化碳材料具有优异的光催化性能，表现在可见光的情况下可以降解有机污染物和分解水制氢。β-C3N4在力学上据计算是比金刚石更硬的材料。同时，研究表明，非晶薄膜碳氮材料具有耐磨性、储氢性能、优异的场发射性能和气敏性能等。与此同时，不同碳氮比的碳氮材料在电阻，热传导性和热稳定性上也是存在着差异。这表明，碳氮材料具有巨大的应用潜能。
与此同时，随着曼彻斯特大学成功的合成石墨烯材料，二维材料因其独特的光学、力学、电磁学与气敏特性而表现出了广泛的应用前景。
因此，制备二维纳米片碳氮材料具有重要的研究价值和应用价值。合成二维纳米片碳氮材料一般采用热氧化刻蚀法、化学剥离法、液体溶液剥离法等。而溶剂热法操作简便，通过调控溶剂热的反应温度和保温时间等因素来控制晶体生长，合成二维纳米片碳氮材料，相比较其他二维碳氮材料的复杂工艺合成，工艺相对简便，成本相对低廉。
申请公布号CN 104401948 A(申请号为201410653994.7)的中国发明专利申请公开了一种单层石墨型氮化碳纳米片溶液的制备方法，包括以下步骤：1)选取三聚氰胺、尿素或二聚二氰胺为前驱体，通过热聚合反应得到石墨型氮化碳粉体；选取一种极性溶剂或表面活性剂的水溶液，向所选择的极性溶剂或表面活性剂的水溶液中加入石墨型氮化碳粉体，得到溶液A，然后将溶液A放入球磨罐中，并置于罐磨机上进行球磨12～24h，得到氮化碳悬浊溶液；其中，溶液A中氮化碳粉体的浓度为2.5～5mg/mL；2)取出经过球磨处理后的氮化碳悬浊溶液，置于超声分散仪进行超声剥离，期中，超声功率100～200w，超声时间0.5～1h；3)将经过超声剥离后的溶液进行离心处理0.5～1h，离心机转速3000～4000rpm，取上层清液即得到单层石墨型氮化碳纳米片溶液。该制备方法制备过程复杂，并且球磨后通过超声剥离，其形貌不可控。
发明内容
本发明的目的在于提供一种成本低廉，过程易于控制的二维纳米片碳氮材料的制备方法。
一种二维纳米片碳氮材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将三聚氰胺粉末加热到500℃～600℃并保温2～8h，然后冷却，得到固体块状黄色g-C3N4，之后制成粉末，得到黄色粉末；
2)将黄色粉末加入乙醇胺，混合均匀，得到均匀悬浊液，将均匀悬浊液在50℃～200℃保温2～8h，之后冷却，得到反应产物，反应产物经后处理得到二维纳米片碳氮材料。
本发明中，采用热解法和溶剂热法，首先在坩埚中加热适量的三聚氰胺，以半封闭状态在马弗炉中以合适的热处理工艺合成g-C3N4，并研磨成粉末储存；然后，以合成的g-C3N4的黄色粉末为原材料，乙醇胺为溶剂，搅拌后放入反应釜中，并通过调控反应时间，进行溶剂热反应处理，制得二维纳米片碳氮材料。该制备方法成本低廉，易于控制，产物合成产量高，工艺相对简单。
以下作为本发明的优选技术方案：
步骤1)中，将三聚氰胺粉末以2～5℃/min的升温速率加热到500℃～600℃并保温2～8h。进一步优选，将三聚氰胺粉末以3～4℃/min的升温速率加热到530℃～570℃并保温3～5h。最优选，将三聚氰胺粉末以3.5℃/min的升温速率加热到550℃并保温4h。
然后冷却至环境温度，即冷却至0℃～35℃。
步骤2)中，混合均匀通过磁力搅拌1h～5h实现，进一步优选，混合均匀通过磁力搅拌2h实现。
之后冷却至环境温度，即冷却至0℃～35℃。
所述的后处理包括：洗涤和干燥。所述的洗涤采用去离子水和无水乙醇反复清洗。所述的干燥在60℃～80℃烘干，进一步优选在烘箱内70℃保温烘干。
上述的三聚氰胺、乙醇胺均为化学纯。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
本发明通过热解法和溶剂热制备二维纳米片碳氮材料。本发明在第一步通过热分解三聚氰胺合成g-C3N4，为纳米片的合成提供材料来源。另一方面通过在第二步溶剂热反应过程中加入乙醇胺溶剂，有效的控制了碳氮材料的形貌变化，最后合成二维纳米片碳氮材料。该制备方法易于控制，成本低廉，工艺相对简单，可以实现规模化生产。所合成的二维纳米片碳氮材料，具有大比表面积，稳定的结构，在光催化、气体吸附以及气敏领域具有优异的性能。
附图说明
图1是实施例1制备的第一步热分解制备的固体块状黄色g-C3N4的SEM照片；
图2是实施例1制备的二维纳米片碳氮材料的SEM照片；
图3是实施例1制备的二维纳米片碳氮材料的TEM照片。
具体实施方式
以下结合实施例进一步说明本发明方法。
实施例1
1)称取三聚氰胺粉末加入坩埚中，并盖上坩埚盖使样品处于半封闭状态，放入马弗炉中。以3.5℃/min的升温速率加热到550℃并保温4h，然后随炉冷却到室温25℃，得到固体块状黄色g-C3N4；
2)将步骤1)所得的固体块状黄色g-C3N4研磨成粉末，得到黄色粉末，并储存；
3)将步骤2)所制备的黄色粉末称取1g，放入50ml的烧杯中。量取40ml的乙醇胺倒入烧杯中，磁力搅拌2h，使黄色粉末充分弥散在乙醇胺中，得到均匀悬浊液；
4)在步骤3)所得的均匀悬浊液转移到反应釜内胆中，密闭，放入烘箱中在200℃保温2h，随炉冷却到室温25℃，得到反应产物；
5)在步骤4)所得的反应产物，用去离子水和无水乙醇反复清洗，放入干燥箱，在70℃保温烘干，得到碳氮材料二维纳米片。
图1为第一步热分解制备的固体块状黄色g-C3N4的SEM照片，图2是二维纳米片碳氮材料的SEM照片，图3是二维纳米片碳氮材料的TEM照片。
实施例2
1)称取三聚氰胺粉末加入坩埚中，并盖上坩埚盖使样品处于半封闭状态，放入马弗炉中。以3.5℃/min的升温速率加热到550℃并保温4h，然后随炉冷却到室温25℃，得到固体块状黄色g-C3N4；
2)将步骤1)所得的固体块状黄色g-C3N4研磨成粉末，得到黄色粉末，并储存；
3)将步骤2)所制备黄色粉末称取1g，放入50ml的烧杯中。量取40ml的乙醇胺倒入烧杯中，磁力搅拌2h，使黄色粉末充分弥散在乙醇胺中，得到均匀悬浊液；
4)在步骤3)所得的均匀悬浊液转移到反应釜内胆中，密闭，放入烘箱中在200℃保温8h，随炉冷却到室温25℃，得到反应产物；
5)在步骤4)所得的反应产物，用去离子水和无水乙醇反复清洗，放入干燥箱，在70℃保温烘干，得到碳氮材料二维纳米片。
实施例3
1)称取三聚氰胺粉末加入坩埚中，并盖上坩埚盖使样品处于半封闭状态，放入马弗炉中。以3.5℃/min的升温速率加热到550℃并保温4h，然后随炉冷却到室温25℃，得到固体块状黄色g-C3N4；
2)将步骤1)所得的固体块状黄色g-C3N4研磨成粉末，得到黄色粉末，并储存；
3)将步骤2)所制备黄色粉末称取1g，放入50ml的烧杯中。量取40ml的乙醇胺倒入烧杯中，磁力搅拌2h，使黄色粉末充分弥散在乙醇胺中，得到均匀悬浊液；
4)在步骤3)所得的均匀悬浊液转移到反应釜内胆中，密闭，放入烘箱中在150℃保温6h，随炉冷却到室温25℃，得到反应产物；
5)在步骤4)所得的反应产物，用去离子水和无水乙醇反复清洗，放入干燥箱，在70℃保温烘干，得到碳氮材料二维纳米片。

Claims (9)

1.一种二维纳米片碳氮材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将三聚氰胺粉末加热到500℃～600℃并保温2～8h，然后冷却，得到固体块状黄色g-C3N4，之后制成粉末，得到黄色粉末；
2)将黄色粉末加入乙醇胺，混合均匀，得到均匀悬浊液，将均匀悬浊液在50℃～200℃保温2～8h，之后冷却，得到反应产物，反应产物经后处理得到二维纳米片碳氮材料。
2.根据权利要求1所述的二维纳米片碳氮材料的制备方法，其特征在于，步骤1)中，将三聚氰胺粉末以2～5℃/min的升温速率加热到500℃～600℃并保温2～8h。
3.根据权利要求2所述的二维纳米片碳氮材料的制备方法，其特征在于，步骤1)中，将三聚氰胺粉末以3～4℃/min的升温速率加热到530℃～570℃并保温3～5h。
4.根据权利要求1所述的二维纳米片碳氮材料的制备方法，其特征在于，步骤1)中，然后冷却至0℃～35℃。
5.根据权利要求1所述的二维纳米片碳氮材料的制备方法，其特征在于，步骤2)中，混合均匀通过磁力搅拌1h～5h实现。
6.根据权利要求1所述的二维纳米片碳氮材料的制备方法，其特征在于，步骤2)中，之后冷却至0℃～35℃。
7.根据权利要求1所述的二维纳米片碳氮材料的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述的后处理包括：洗涤和干燥。
8.根据权利要求7所述的二维纳米片碳氮材料的制备方法，其特征在于，所述的洗涤采用去离子水和无水乙醇反复清洗。
9.根据权利要求7所述的二维纳米片碳氮材料的制备方法，其特征在于，所述的干燥在60℃～80℃烘干。
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