CN106542509A - 一种高效制备类石墨烯氮化碳的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高效制备类石墨烯氮化碳的方法，其特征在于，包括如下步骤：以富含氮元素的有机物为原料，加入微波吸收剂，混合后放入陶瓷坩埚中；然后将坩埚置于工业高能微波炉谐振腔的中心，抽真空后进行高能微波辐照加热，从而实现快速高效地制备类石墨烯氮化碳。得到的类石墨烯氮化碳具有高的比表面积、产量和纯度，能够被应用于降解有机物、光解水制氢、催化剂载体和生物医学传感器等领域。

Description

一种高效制备类石墨烯氮化碳的方法
技术领域
本发明涉及类石墨烯氮化碳的制备技术范畴，具体涉及一种基于高能微波辐照加热技术、快速高效地合成类石墨烯氮化碳的制备方法。
背景技术
由于工业化的快速发展和人口的迅猛增加，导致全球性的资源短缺、环境污染和生态破坏。半导体光催化剂通过直接将太阳能转化为化学能，从而实现光解水制氢气，或直接降解有机污染物，在解决能源短缺和环境污染等方面表现出巨大的潜力。类石墨氮化碳，因其独特的半导体能带结构，优异的化学稳定性和良好的热稳定性等，被广泛应用于光解水制氢、传感器和光催化降解有机污染物等领域，引起人们广泛的关注。与块状类石墨氮化碳相比，类石墨烯氮化碳具有更高的比表面积，更宽的带隙，更强的平面内电子传输能力，更长的光生载流子寿命等优势。因此，类石墨烯氮化碳的光催化等应用特性也显著提高，成为能源和材料领域研究和应用的热点之一。
迄今为止，制备类石墨烯氮化碳的方法很多，主要有球磨法、超声波液相剥离法、热氧化刻蚀法、化学剥离法和共聚合法等。球磨法工艺比较简单，且可以通过转速和时间控制类石墨烯氮化碳的层数。但球磨法合成的类石墨烯氮化碳均匀性和结晶性能比较差，且获取产物的堆垛层数较多，实质上往往还保留有体相氮化碳的结构特性。超声波液相剥离法能够得到水溶性较好的类石墨烯氮化碳，工艺相对较为简单，但制备周期长，且反应过程中普遍要使用有毒的有机溶剂，对环境和操作人员有害。热氧化刻蚀法能够较为简单的制备类石墨烯氮化碳，但产量非常低，且制备周期长，效率低下。化学剥离法能够大量合成类石墨烯氮化碳，但使用到的剥离剂须具有强的氧化性，对类石墨烯氮化碳的结构和性能具有破坏作用；且强氧化性剥离剂的使用不利于环保，增加了制备成本和环境后处理压力。共聚合法通过引入一些含有羧基、氨基或氰基的小分子单体，使其参与原料的热缩聚反应，也能得到类石墨烯氮化碳，但该方法的制备周期长，且定向聚合困难，产物中往往夹杂着大量的体相氮化碳，而非得到纯净的具有类石墨烯结构的二维氮化碳纳米材料。
安徽大学袁玉鹏等人利用微波功率最高为1kW的小型微波炉，制备得到了块体石墨相氮化碳(微波加热快速制备类石墨结构氮化碳材料，CN104415786A)。该方法以金属氧化物(四氧化三铁、三氧化二钴、氧化镍、五氧化二钒、二氧化锰、三氧化钨)或金属硫化物(硫化亚铁、硫化铜、二硫化钼)等作为微波吸收剂，将三聚氰胺、硫脲、氰胺、二氰胺、三聚氯氰、三聚氰酸等富氮有机物分别放置，通过间接加热的方式，制备得到了块状的类石墨氮化碳。该方法将上述物料分别放置在坩埚内外，并进行微波辐照加热，由于微波吸收剂和原料的分开放置，使得能量交换和反应效率显著降低，难以发挥微波辐照体相快速加热的优势，仅能得到的产物比表面积为77m2/g的体相类石墨氮化碳，而非具有二维结构特征的类石墨烯氮化碳。另外，本方法中使用一些有毒的金属氧化物(三氧化二钴、五氧化二钒)，或则加热过程中可产生有毒气体二氧化硫的金属硫化物(硫化亚铁、二硫化钼等)作为微波吸收剂，均对环境和操作人员有害。
此外，安徽大学陈海玉等人以三聚氰胺为前驱体，以氯化锌为微波吸收剂，将三聚氰胺和氯化锌混合研磨后置于微波炉中，然后设定微波炉功率至1kW，并加热10min，待反应结束后自然冷却至室温(陈海玉，《石墨相氮化碳基功能材料的制备及光催化、传感性能研究》，安徽大学硕士学位论文，2015)。但该方法得到的产物也为石墨相氮化碳，而非类石墨烯氮化碳二维纳米材料，且后期处理过程比较繁琐，还必须用5％的稀盐酸对所得产物进行多次的浸泡、洗涤、干燥，才能得到块状的类石墨氮化碳。
再如成都理工大学裴昭君等人以三聚氰胺为原料，以氧化铜为微波吸收剂，在微波功率750W条件下加热20min，然后再把得到的样品放在马弗炉中500℃保温4h，得到类石墨氮化碳(裴昭君，《石墨相碳化氮可见光催化降解罗丹明B的试验研究》，成都理工大学硕士学位论文，2014)。上述结果显示，尽管使用了微波辐照这一制备功能材料的新方法，但得到的类石墨氮化碳的片层比较厚(26-52nm)，远远超出了类石墨烯氮化碳的二维纳米片结构特征；且需要后期的热处理，降低了制备效率，提高了成本。
南京大学高军等人以三聚氰胺为原料，以氧化铜粉体为微波吸收剂，在微波功率800W的低功率条件下加热25min；然后再把得到的样品放在马弗炉中500℃煅烧25h，得到比表面积为212m2/g、厚度约为3nm的类石墨烯氮化碳(高军，《微纳结构g-C3N4的制备与性能研究》，南京大学硕士学位论文，2012)。该方法与成都理工大学在《石墨相碳化氮可见光催化降解罗丹明B的试验研究》中介绍的“微波辅助法制备类石墨氮化碳”，在方法和参数等方面非常相似，即先将微波加热作为合成体相结构的石墨相氮化碳前驱体的手段，再通过长时间的煅烧，即通过“热氧化刻蚀”的剥蚀作用，对体相的石墨相氮化碳的堆积片层结构进行逐渐减薄，才实现了“类石墨烯氮化碳”的制备，其繁琐冗长的制备过程中，不仅仅需要使用微波设备、超声设备等多种仪器，其“热氧化刻蚀”的制备本质，也决定了本方法的原材料消耗较大，产物的制备效率和产率都不够理想。
张家港市东大工业技术研究院的王继刚等人将海绵状的氧化石墨烯作为前驱体放入坩埚中。然后将坩埚置于微波真空烧结炉内，抽真空15-50kPa后，利用氧化石墨自身对微波的响应，在微波功率4-10kW条件下辐照加热10-200s，即可快速地制备得到海绵状石墨烯(王继刚等，一种制备海绵状石墨烯的方法，授权专利号：201310144259.9)。该方法得到的海绵状石墨烯具有疏松多孔的独特结构，孔隙率为20-86％，石墨烯的层数为2-8层。另在专利CN103058177A中，王继刚等人还将氧化石墨和氮源(三聚氰胺、三聚氯氰、缩二脲或其三者的混合物)放入陶瓷坩埚中密封处理，在真空条件下利用微波功率3-9kW进行辐照加热，在10-90s内即可高效快速地制备得到片层数目为2-7层的氮掺杂石墨烯，且氮掺杂含量达到了15-20％(王继刚等，一种利用高能微波真空辐照实现氮掺杂石墨烯的制备方法，授权专利号：201310002554.0)。在该方法中，虽然利用了含碳、含氮的初始原料，并在高能微波条件下进行了快速合成，但只能得到氮掺杂的石墨烯，而非类石墨烯结构的氮化碳。
长安大学的阎鑫等人以三聚氰胺、尿素等为前驱体，先选取三聚氰胺或尿素或二聚二氰胺为前驱体，经过热缩聚反应得到体相的石墨型氮化碳粉体，再将类石墨氮化碳放入含有乙醇或N-甲基吡咯烷酮等极性溶剂或表面活性剂的水溶液的球磨罐中，在球磨12-24h后得到悬浊溶液；最后再将悬浊溶液超声、离心，收集上层清液，得到“类石墨烯氮化碳”溶液(阎鑫,郭豪彦,赵佳伟,王慧,陶婧颖,王轩,赵鹏,艾涛,苏兴华，一种单层石墨型氮化碳纳米片溶液的制备方法，公开号：CN104401948A)。但该方法不仅制备流程冗长繁琐，而且使用到的N-甲基吡咯烷酮等溶剂对人和环境有害。
在论文《Mechanically exfoliated g-C3N4thin nanosheets by ball millingas high performance photocatalysts》(RSC Advances，2015，5(69)：56239-56243)中，以三聚氰胺为原料，通过热缩聚反应得到类石墨氮化碳；然后将类石墨氮化碳置于球磨罐中并通入保护气体氮气，在300rmp的转速下进行长时间的球磨处理(最长时间可达96h)，得到大概两个原子层厚度的类石墨烯氮化碳。然而该方法的球磨时间长，且在球磨过程中需要对球磨罐通入氮气进行保护，对球磨罐的密封性要求高。
江苏大学的许晖等人将类石墨氮化碳分散于1,3-丁二醇溶液中，在功率为100-800W的超声条件下处理5-30h，然后再经过离心、烘干等处理，得到类石墨烯氮化碳(一种类石墨烯氮化碳光催化材料的制备方法，公开号：CN103316711A)。该方法得到的类石墨烯氮化碳的厚度大约为0.6nm，且具有优异的可见光响应性能。但该方法需要先经过长达7h的前期热处理时间，以及冗长的超声剥离，制备效率较低。
福州大学的梁诗景等人首先将三聚氰胺置于马弗炉中500℃锻烧4h，先通过热缩聚的方法合成得到类石墨氮化碳前驱体；然后将类石墨氮化碳分散在乙醇水溶液中超声处理1-6h；再搅拌0.5-24h后接着又继续超声剥离1-6h，最后离心得到类石墨烯氮化碳(梁诗景，林秋燕，毕进红，刘明华，一种分子级厚度的C3N4纳米片及其制备方法和应用，公开号：CN103254200A)。该方法得到的类石墨烯氮化碳的厚度为0.5-3nm，比表面积为50-300m2/g，长宽为100-2000nm。但该方法的热缩聚反应、超声处理、搅拌、离心等处理过程导致制备周期非常冗长复杂。
在论文《Exfoliated graphitic carbon nitride nanosheets as efficientcatalysts for hydrogen evolution under visible light》(Advanced materials，2013，25(17)：2452-2456)中，将类石墨氮化碳分散在不同的溶剂(如异丙醇、N-甲基吡咯烷酮、水、乙醇和丙酮)中超声10h，然后离心、烘干后得到类石墨烯氮化碳。该方法得到类石墨烯厚度大约为2nm、比表面积最大为384m2/g。但该方法中使用到的某些溶剂对人和环境有害，且制备周期非常长。
再如论文《Efficient synthesis of monolayer carbon nitride 2D nanosheetwith tunable concentration and enhanced visible-light photocatalyticactivities》(Applied Catalysis B：Environmental，2015，163：135-142)，将类石墨氮化碳分散在复合溶剂(如二甲基酰胺/水、异丙醇/水和乙醇/水)中超声10h，然后依次离心、烘干，可以得到厚度为0.38nm、比表面积为59.4m2/g的类石墨烯氮化碳。但该方法得到的类石墨烯氮的比表面积很小，且实验过程中使用到的一些溶剂对人和环境有害。
江苏大学的许晖等人首先利用二氰二胺为原料，在氮气气氛保护下通过热缩聚反应合成得到类石墨型氮化碳，再将类石墨氮化碳和氯化铵的水溶液置于水热反应釜中，于140-200℃反应24-36h，得到胺化的氮化碳材料。然后将胺化氮化碳材料放置管式炉中，在氮气或氧气气氛下，于300-450℃下煅烧4-6h，冷却至室温后，得到比表面积为30-100m2/g的类石墨烯氮化碳(许晖，李华明，颜佳，佘小杰，宋艳华等，一种类石墨烯C3N4材料及其制备方法和用途，公开号：CN10319385A)。但该方法制备周期太长，工艺繁琐，且得到的类石墨烯氮化碳的比表面较小。
在论文《Graphene-Like Carbon Nitride Nanosheets for ImprovedPhotocatalytic Activities》(Advanced Functional Materials，2012，22(22)：4763-4770)中，以双氰胺为原料，在550℃条件下保温4h得到黄色的类石墨氮化碳。将类石墨氮化碳研磨后，继续加热，在500℃条件下保温2h后自然冷却，得到比表面积为306m2/g的淡黄色类石墨烯氮化碳。该方法制备的类石墨烯氮化碳的比表面积非常大，但产率非常低，仅为6％。
厦门大学邓顺柳等人先以二聚氰胺为原料，通过热缩聚法合成类石墨氮化碳；然后将类石墨氮化碳分散在四氢吠喃溶液中，在氮气保护条件下超声分散，依次加入碱金属锂或钠，持续搅拌；最后加入溴代烷烃或碘代烷烃等卤代有机试剂，在氮气保护条件下反应，反应结束后，将所得固体产物依次用甲苯、乙醇和水进行洗涤，得到厚度为1-2nm的类石墨烯氮化碳(一种溶液相制备石墨相氮化碳纳米片的方法，公开号：CN104891460A)。然而该方法使用到的碱金属锂或钠化学性质非常活泼，在空气中容易燃烧，对实验的安全要求比较高，且比较昂贵。此外，实验过程中使用到的四氢吠喃和甲苯都是有毒的溶液，对人和环境非常有害。
中国科学院大连化学物理研究所的陈萍等人将石墨相氮化碳、无水氢氧化钠和无水氢氧化钾均匀混合，放入反应容器中于100-300℃锻烧0.05-5h；然后把所得产物用pH值为1-5的酸(如盐酸、硫酸或硝酸)处理1-10h；最后用去离子水和乙醇分别洗涤、过滤，直至溶液呈中性，干燥即得到类石墨烯氮化碳(一种宏量制备石墨相氮化碳纳米片的方法，公开号：CN104944392A)。但该方法使用到的强碱和强酸等化学试剂不利于环保，且成本较高。
在论文《A scalable chemical route to soluble acidified graphiticcarbon nitride:an ideal precursor for isolated ultrathin g-C3N4nanosheets》(Nanoscale,2015,7(19):8701-8706)中，将块状类石墨氮化碳分散到浓硫酸中，于140-170℃搅拌2-3h。然后降温到75℃，加入去离子水，溶液变为白色的悬浮液后。继续加热氯化铵，利用氯化铵提供氯离子，并与硫酸根离子进行交换，通过形成的盐酸对类石墨烯氮化碳进行修饰，以期提高类石墨烯氮化碳在酸溶液中的溶解度，然后再在70℃条件下搅拌2h。最后将溶液过滤、水洗、醇洗、干燥，得到厚度约为1-1.5nm、比表面积仅为42m2/g的类石墨烯氮化碳。该方法得到的类石墨烯氮化碳比表面积非常小，且工艺繁琐。另外，由于浓硫酸具有强氧化性，导致得到的类石墨烯氮化碳会产生一些结构缺陷。
再如论文《Rapid and high-yield production of g-C3N4nanosheets viachemical exfoliation for photocatalytic H2evolution》(RSC Advances，2015，5(107)：88149-88153)中，利用浓硫酸作为介质，反应时间30min，对块状类石墨氮化碳进行剥离，得到厚度大概为2.5nm、表面积为86.29m2/g的类石墨烯氮化碳，且产量达到了70％。但该方法使用到的浓硫酸具有强氧化性，导致得到的类石墨烯氮化碳存在着一些结构缺陷。
福州大学王心晨等人将尿素与小分子单体(如2-氨基噻吩-3-甲腈、2-氨基苯甲腈、二氨基马来腈或巴比妥酸)溶解在水中，室温搅拌12-48后再依次蒸干、研磨。将所得固体粉末在马弗炉中450-700℃热处理1-10h，得到比表面积为60-300m2/g的类石墨烯氮化碳(王心晨，张明文，任禾，张金水，一种共聚合改性的石墨相氮化碳纳米片可见光催化剂，公开号：CN103272639A)。但该方法的制备周期也明显较为冗长。
此外，福州大学的王心晨等人还将二烷基咪唑阳离子和四氟硼酸阴离子配制成的离子液体，再将尿素和离子液体溶解在水中，于室温下搅拌2-12h，然后依次蒸干、研磨。再将所得固体粉末在马弗炉中500-600℃热处理1-4h，制得比表面积为60-100m2/g的类石墨烯氮化碳(王心晨，林珍珍，离子液体促进合成石墨相氮化碳纳米片可见光催化剂，公开号：CN103752334A)。但该方法工艺较为繁琐，制备周期较长，虽然本方法试图通过合成离子液体以提高合成效果，但得到的类石墨烯氮化碳的比表面积仍然比较小。
上述提到的几种方法普遍存在周期长、工艺复杂、成本高和环境不够友好等不足，制备效率和效果不够理想，不利于类石墨烯氮化碳的快速获取和进一步的推广应用，因此开发一种可以快速、高效、环保、低成本的制备高性能类石墨烯氮化碳的新方法，对于实现工业化的批量生产，具有重要的意义。
微波辐照加热技术是制备功能材料的新技术。相比球磨法、超声波液相剥离法、热刻蚀法、化学剥离法和共聚合法，本发明提出的基于微波辐照合成类石墨烯氮化碳纳米材料的方法，具有速度快、效率高、低碳环保，以及简单便捷，易于工业化批量生产等一系列优势。
发明内容
本发明要解决的问题是：利用高能微波辐照加热技术，提供一种简单、高效的制备类石墨烯氮化碳的方法。得到的类石墨烯氮化碳具有高的比表面积、产量和纯度，能够被应用于降解有机物、光解水制氢、催化剂载体和生物医学传感器等领域。
为解决上述问题，本发明的“一种高效制备类石墨烯氮化碳的方法”，包括如下步骤：以富含氮元素的有机物为原料，加入微波吸收剂，混合后放入陶瓷坩埚中；然后将坩埚置于工业高能微波炉谐振腔的中心，抽真空后，即可进行高能微波辐照加热，以快速高效地制备类石墨烯氮化碳。
进一步的，所述富含氮元素的有机物为三聚氰胺、二聚氰胺、单氰胺、硫脲或尿素中的一种。
进一步的，所述微波吸收剂为聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维、酚醛基碳纤维或粘胶基碳纤维中的一种。
进一步的，所述的富含氮元素的有机物与微波吸收剂的质量比为(20-50):1。
进一步的，所述的微波辐照加热时微波炉谐振腔内真空度为5-30kPa；所述微波辐照加热过程中，微波功率为4-10kW；所述微波辐照加热过程中，控制微波炉谐振腔温度为500-650℃；所述微波辐照加热时间为3-15min。
三聚氰胺、二聚氰胺、单氰胺、硫脲或尿素等富氮有机物的耐热性有限，在相对较低的温度下即可分解并形成含有碳氮键的中间化合物或结构片段，并通过结构重排或调整，衍生得到新型结构的功能材料。常规的利用马弗炉加热等加热方式，由于反应较为平缓，只能得到堆积层数较多的石墨相氮化碳，而无法合成得到重复单元较少的类石墨烯氮化碳。为实现类石墨烯氮化碳的获取，常用的方法是经过长时间的热氧化刻蚀或超声液相剥离，通过逐渐减薄或剥离来进行堆积层数的降低，以获得类似石墨烯结构的二维氮化碳纳米材料。
尽管微波辐照加热技术已经成为制备功能材料的热点技术，并逐渐得到日益广泛的应用，但采用金属粉或铁氧体等粉体作为微波吸收剂，以及不够理想的原料和微波吸收剂配置方式，都将导致能量交换效率和反应程度的降低，仅能将微波辐照技术作为材料合成的辅助处理手段，而不利于获取特殊形态、结构的新型纳米功能材料。
碳纤维是一种含碳量在95％以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，经碳化及石墨化处理而得到的一维材料。与石墨粉等粉体微波吸收剂相比，碳纤维具有独特的一维结构形态特征，有利于通过彼此的搭接而形成交织缠绕的导电网络体系，因此对微波电磁场有着更为强烈的响应，在瞬间即可实现微波能向热能的转变。在本发明中，基于高能微波辐照加热，使三聚氰胺、二聚氰胺、单氰胺、硫脲或尿素等富氮有机物迅速升温，并分解得到含碳氮键的化合物基团或结构片段。与此同时，碳纤维在高能微波辐照下还会出现强烈的等离子打火，增强能量交换的效率和效果，有利于进一步促进三聚氰胺等富氮有机物迅速裂解为含碳氮键的化合物基团或结构片段，并可加速后续成核及堆积生长，从而得到具有类石墨烯结构的二维氮化碳纳米材料。与热氧化刻蚀或超声液相剥离等方法，以及微波辅助合成手段相比，本申请专利提供了一种基于剧烈的能量交换方式，通过激发活化和非稳态效应，从而实现了在极短的时间内高效获取类石墨烯氮化碳纳米材料。
本发明具有以下有益效果：
1)制备过程简单，无需对原料进行预处理，通过直接的微波辐照，即可得到类石墨烯氮化碳。
2)过程高效，通过特殊的体相加热，减少了热传导对能量交换和反应程度的缓解影响，实现了快速且均匀的热处理，利用高能微波辐照3-15min即可得到类石墨烯氮化碳粉体；
3)工艺简单易操作；
4)原料成本低，选择余地大，利用市售的三聚氰胺、二聚氰胺、单氰胺、硫脲、尿素等富含氮元素的有机物为原料，以及聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维、酚醛基碳纤维或粘胶基碳纤维等作为微波吸收剂，即可进行类石墨烯氮化碳的快速高效制备，且碳纤维可重复使用；
5)制备过程中无环境污染，工艺环保，不产生废气、废液、废渣等；
6)结构和性质可控，通过简单的调整富氮有机物和微波吸收剂的比例，即可获得厚度、比表面积和产率不同的具有类石墨烯结构特征的二维氮化碳纳米材料。得到的类石墨烯氮化碳产率为37-54wt％，比表面积为183-307m2/g，片层厚度少于8层。
附图说明
图1是实施例1所得类石墨烯氮化碳材料的透射电镜照片。
图2是实施例1所得类石墨烯氮化碳材料的原子力显微镜及相应的厚度测量图片。
具体实施方式
下面通过具体实施例，对本发明所述的一种高效制备类石墨烯氮化碳的方法，作进一步的实例说明。
实施例1
将10g三聚氰胺和0.2g聚丙烯基碳纤维混合后，放入到陶瓷坩埚中。然后将陶瓷坩埚置于工业高能微波炉谐振腔内并抽真空至5kPa，设定微波功率为5kW，待温度达到570℃后开始保温，5min后关闭微波炉，使反应体系随炉冷却至室温后取出样品。可以看到坩埚中存在大量的淡黄色粉末，即为类石墨烯氮化碳，产率约为54wt％，比表面积为307m2/g。
图1为所得产物的透射电镜照片，产物具有明显的层状结构，厚度大概为4层。图2为所得产物的原子力显微镜图片，从图中可见，所得类石墨烯氮化碳纳米片的厚度约为1.5nm，与透射电镜照片中4层的堆积结构相吻合。
实施例2
将10g三聚氰胺和0.4g聚丙烯基碳纤维混合后，放入到陶瓷坩埚中。然后将陶瓷坩埚置于工业高能微波炉谐振腔内并抽真空至10kPa，设定微波功率为4kW，待温度达到500℃后开始保温，15min后关闭微波炉，使反应体系随炉冷却至室温后取出样品。可以看到坩埚中存在大量的淡黄色粉末，即为类石墨烯氮化碳，产率约为44wt％，比表面积为183m2/g，片层厚度约为8层。
实施例3
将10g二氰胺和0.5g聚丙烯基碳纤维混合后，放入到陶瓷坩埚中。然后将陶瓷坩埚置于工业高能微波炉谐振腔内并抽真空至15kPa；设定微波功率为6kW，待温度达到600℃后开始保温，10min后关闭微波炉，使反应体系随炉冷却至室温后取出样品。可以看到坩埚中存在大量的淡黄色粉末，即为类石墨烯氮化碳，产率约为49wt％，比表面积为209m2/g，片层厚度约为6层。
实施例4
将10g单氰胺和0.3g沥青基碳纤维混合后，放入到陶瓷坩埚中。然后将陶瓷坩埚置于工业高能微波炉谐振腔内并抽真空至20kPa，设定微波功率为6.5kW，待温度达到650℃后开始保温，5min后关闭微波炉，使反应体系随炉冷却至室温后取出样品。可以看到坩埚中存在大量的淡黄色粉末，即为类石墨烯氮化碳，产率约为43wt％，比表面积为297m2/g，片层厚度约为5层。
实施例5
将10g硫脲和0.3g酚醛基碳纤维混合后，放入到陶瓷坩埚中。然后将陶瓷坩埚置于工业高能微波炉谐振腔内并抽真空至30kPa，设定微波功率为6kW，待温度达到580℃后开始保温，10min后关闭微波炉，使反应体系随炉冷却至室温后取出样品。可以看到坩埚中存在大量的淡黄色粉末，即为类石墨烯氮化碳，产率约为51wt％，比表面积为225m2/g，片层厚度约为7层。
实施例6
将10g尿素和0.4g聚丙烯基碳纤维混合后，放入到陶瓷坩埚中。然后将陶瓷坩埚置于工业高能微波炉谐振腔内并抽真空至15kPa，设定微波功率为5.5kW，待温度达到560℃后开始保温，10min后关闭微波炉，使反应体系随炉冷却至室温后取出样品。可以看到坩埚中存在大量的淡黄色粉末，即为类石墨烯氮化碳，产率约为37wt％，比表面积为233m2/g，片层厚度约为6层。
实施例7
将10g尿素和0.5g粘胶基碳纤维混合后，放入到陶瓷坩埚中。然后将陶瓷坩埚置于工业高能微波炉谐振腔内并抽真空至5kPa，设定微波功率为6kW，待温度达到600℃后开始保温，5min后关闭微波炉，使反应体系随炉冷却至室温后取出样品。可以看到坩埚中存在大量的淡黄色粉末，即为类石墨烯氮化碳，产率约为45wt％，比表面积为214m2/g，片层厚度约为5层。
上述的实施例仅例示性说明本发明创造的原理及其功效，以及部分运用的实施例，而非用于限制本发明；应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种高效制备类石墨烯氮化碳的方法，其特征在于，包括如下步骤：以富含氮元素的有机物为原料，加入微波吸收剂，混合后放入陶瓷坩埚中；然后将坩埚置于工业高能微波炉谐振腔的中心，抽真空后进行高能微波辐照加热，从而实现快速高效地制备类石墨烯氮化碳。
2.根据权利要求1所述的一种高效制备类石墨烯氮化碳的方法，其特征在于：所述富含氮元素的有机物为三聚氰胺、二聚氰胺、单氰胺、硫脲或尿素中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种高效制备类石墨烯氮化碳的方法，其特征在于：所述微波吸收剂为聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维、酚醛基碳纤维或粘胶基碳纤维中的一种。
4.根据权利要求1-3之一所述的一种高效制备类石墨烯氮化碳的方法，其特征在于：所述的富含氮元素的有机物与微波吸收剂的质量比为(20-50):1。
5.根据权利要求1-3之一所述的一种高效制备类石墨烯氮化碳的方法，其特征在于：所述的微波辐照加热时微波炉谐振腔内真空度为5-30kPa。
6.根据权利要求1-3之一所述的一种高效制备类石墨烯氮化碳的方法，其特征在于：所述微波辐照加热过程中，微波功率为4-10kW。
7.根据权利要求1-3之一所述的一种高效制备类石墨烯氮化碳的方法，其特征在于：所述微波辐照加热过程中，控制微波炉谐振腔温度为500-650℃。
8.根据权利要求1-3之一所述的一种高效制备类石墨烯氮化碳的方法，其特征在于：所述微波辐照加热时间为3-15min。
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GR01 Patent grant
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