一种棒状低聚氮化碳及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种在可见光波段具有光催化活性的低聚氮化碳及其制备方法与应用，本发明专利技术低聚氮化碳为长度1～10微米、直径为100～500nm的棒状，碳与氮的质量比为0.62。低聚氮化碳的制备方法，包括(1)将三聚氰胺与氧化硅颗粒分散于水中，置于450～520摄氏度加热炉中进行焙烧，焙烧后冷却并研磨得到固体颗粒；(2)将所述固体颗粒与氢氟酸混合搅拌，之后进行洗涤，真空干燥。本发明专利技术的棒状低聚氮化碳可见光催化剂分散度好、载流子复合率低，具有优异的光催化活性及稳定性，可循环使用，具有良好的实际应用前景。本发明专利技术的低聚氮化碳的制备方法简单可行，所用原料简单易得、价格低廉，可以有效避免污染性的副产物产生，无二次污染。

【技术实现步骤摘要】
一种棒状低聚氮化碳及其制备方法与应用
本专利技术涉及半导体光催化材料领域，具体涉及一种低聚氮化碳及其制备方法与作为光催化剂的应用。
技术介绍
利用半导体光催化剂如TiO2应用于环境污染物治理已越来越引起人们的关注。但是，TiO2因其较宽的禁带宽度只能被紫外光激发，而紫外光只占太阳光很小的部分(少于5％)，同时光生载流子快速复合也使得其量子效率非常低。如何获得可充分利用太阳光、能在可见光谱范围内被激发且同时诱导光生载流子分离的可见光催化剂已经成为一个重要的研究领域。光催化杀菌作为一种新兴杀菌技术，相对于目前广泛使用的消毒剂杀菌、紫外线杀菌、臭氧杀菌等，能够有效避免有毒副产物的形成和对人体的损伤。同时。利用光催化杀菌可利用太阳光提供能量，具有高效、广谱、不易产生耐药性和二次污染等优势。目前研究较为广泛的非金属光催化剂主要有石墨化的C3N4(g-C3N4)等。g-C3N4的制备方法简单，原料廉价易得，具有可见光吸收性能且不会给环境带来二次污染。但是g-C3N4的片层结构难以有效捕获细菌，活性位点较少且光吸收能力较弱。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种光催化杀菌活性显著提高的棒状低聚氮化碳。本专利技术同时还提供一种棒状低聚氮化碳的制备方法，该方法可以得到光催化杀菌活性显著提高的棒状低聚氮化碳。为实现前述专利技术目的，本专利技术采用的一种技术方案如下：一种在可见光波段具有光催化活性的低聚氮化碳，该低聚氮化碳为长度1～10微米、直径为100～500nm的棒状，碳与氮的质量比为0.62。根据本专利技术的一个具体且优选方面，所述低聚氮化碳的长度为2～6微米。根据本专利技术的又一具体且优选方面，所述低聚氮化碳的直径为100～300nm。本专利技术还采取的又一技术方案是：一种氮化碳的制备方法，其包括以下步骤：(1)将三聚氰胺与氧化硅颗粒分散于水中，置于450～520摄氏度加热炉中进行焙烧，焙烧后冷却并研磨得到固体颗粒；(2)将所述固体颗粒与氢氟酸混合搅拌，之后进行洗涤，真空干燥。进一步地，步骤(1)中，所述三聚氰胺与氧化硅的投料质量比为2～30：1。优选地，所述三聚氰胺与氧化硅的投料质量比为3～10：1。更优选地，所述三聚氰胺与氧化硅的投料质量比为3～6：1，尤其优选是约3：1，4：1，5：1，或6：1，最优选是3：1。在优选的比例范围内，所制备的氮化碳无杂质或杂质的含量极少。进一步地，步骤(2)中焙烧温度优选为480℃～510℃，更优选为490℃～500℃。控制在优选温度范围内可以获得碳氮比低的低聚氮化碳。根据本专利技术的一个具体且优选实施方式，步骤(1)中，将三聚氰胺与氧化硅颗粒加入到水中，加热搅拌，使三聚氰胺与氧化硅溶解后，置于加热炉中进行焙烧，焙烧结束后自然冷却至室温，研磨收集固体。进一步地，焙烧时间一般为3～12小时，优选为4～8小时，更优选4～6小时。进一步地，加热炉可以采用箱式电子炉。进一步地，焙烧时设定升温速率为3～8℃/min，优选为约5℃/min。根据本专利技术的又一具体且优选实施方式，步骤(2)中，所述氢氟酸的体积浓度为40％～60％，所述固体颗粒与氢氟酸的投料质量体积比为0.03～0.5g/mL。优选地，固体颗粒与氢氟酸的投料质量体积比为0.05～0.1g/mL。优选地，步骤(2)中混合搅拌时间为30～60min。优选地，步骤(2)中，真空干燥的温度为70～90℃。优选地，步骤(2)中，分别采用乙醇和水作为洗涤溶剂进行洗涤，且洗涤多次。根据本专利技术的一个优选方面，所述方法还包括步骤(3)：将步骤(2)所得产物加入到DMSO中，室温下搅拌3～10天后，进行离心，离心时，首先8000～12000rcf的相对离心力将沉淀物除去，之后再采用18000～22000rcf的相对离心力进行离心，离心所得产物经洗涤、干燥后得到氮化碳。优选地，步骤(3)中，步骤(2)所得产物与DMSO的投料质量体积比为2～10mg/mL，优选为2.5～5mg/mL。优选地，步骤(3)中，干燥的温度为90～110℃。优选地，步骤(3)中，分别采用丙酮和水进行洗涤，且洗涤多次。本专利技术上述用到的水优选是去离子水。按照本专利技术方法制备的氮化碳，是低聚氮化碳，其碳氮比低，为棒状，在可见光波段具有优异的光催化活性。在根据本专利技术的一些具体实施方式中，所制备的低聚氮化碳其碳氮比为约0.62。在根据本专利技术的一些具体实施方式中，所制备的低聚氮化碳，其直径为100～300nm，长度为1～10微米，特别是2～6微米。本专利技术还特别涉及上述的低聚氮化碳用于光催化杀菌的用途。所述光催化采用的光可以是可见光。所述的菌例如是大肠杆菌。由于以上技术方案的实施，本专利技术与现有技术相比具有如下优势：1.本专利技术以三聚氰胺为前驱体，通过高温焙烧方法简单快速制备了棒状碳氮低聚物。制备得到的碳氮低聚物相比于传统的C3N4，具有较大的比表面积且表面可暴露出较多的官能团，链段终端也存在明显的缺陷，因此有利于载流子的分离，增加催化剂的催化活性位。另外，本专利技术中的碳氮低聚物具有棒状结构，可有效捕获细菌并可进一步提升光生电子的传导速率，增强光催化活性。2.本专利技术的制备方法简单可行，所用原料简单易得、价格低廉，可以有效避免污染性的副产物产生，无二次污染。制备的棒状碳氮低聚物可见光催化剂分散度好、载流子复合率低，具有优异的光催化活性及稳定性，可循环使用，具有良好的实际应用前景。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1显示了低聚氮化碳的XRD图谱，其中(a)显示了实施例1及对比例1制备的低聚氮化碳的XRD图谱；(b)显示了实施例2-5及对比例2-3所制备的低聚氮化碳的XRD图谱；图2为低聚氮化碳的SEM照片，其中(a)为对比例1制备的低聚氮化碳的SEM照片；(b)为实施例1制备的低聚氮化碳的SEM照片；(c)为实施例2制备的低聚氮化碳的SEM照片；(d)为实施例6制备的低聚氮化碳的SEM照片；(e)为实施例7制备的低聚氮化碳的SEM照片；图3为实施例1制备的低聚氮化碳的TEM照片；图4显示了实施例2-5及对比例3的紫外-可见吸收光谱；图5显示了实施例1及对比例1制备的低聚氮化碳的光催化活性；图6显示了实施例2-5及对比例3制备的低聚氮化碳的光催化活性；图7显示了实施例2、实施例6-7制备的低聚氮化碳的的光催化活性。具体实施方式下面将对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。需要说明的是，以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。本专利技术实施例中通过以下手段对低聚氮化碳可见光催化剂进行结构表征：采用RigakuD/Max-RB型X射线衍射仪(XRD)进行结构分析，采用JEOLJS本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种在可见光波段具有光催化活性的低聚氮化碳，其特征在于：所述低聚氮化碳为长度为1～10微米、直径为100～500nm的棒状，碳与氮的质量比为0.62。

【技术特征摘要】
1.一种在可见光波段具有光催化活性的低聚氮化碳，其特征在于：所述低聚氮化碳为长度为1～10微米、直径为100～500nm的棒状，碳与氮的质量比为0.62。2.根据权利要求1所述的低聚氮化碳，其特征在于：所述低聚氮化碳的长度为2～6微米、直径为100～300nm。3.一种氮化碳的制备方法，其特征在于包括以下步骤：(1)将三聚氰胺与氧化硅颗粒分散于水中，置于450～520摄氏度加热炉中进行焙烧，焙烧后冷却并研磨得到固体颗粒；(2)将所述固体颗粒与氢氟酸混合搅拌，之后进行洗涤，真空干燥。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述三聚氰胺与氧化硅的投料质量比为2～30：1。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述三聚氰胺与氧化硅的投料质量比为3～10：1。6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，将三聚氰胺与氧化硅颗粒加入到水中，加热搅拌，使三聚氰胺与氧化硅溶...

【专利技术属性】
技术研发人员：霍宇凝，李蕙帆，杨国详，杨玉萍，邹泉，张子平，裴文凯，李和兴，
申请(专利权)人：上海师范大学，
类型：发明
国别省市：上海,31