一种氮化碳纳米管及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种氮化碳纳米管及其制备方法，所述氮化碳纳米管的成分为化学结构式C3N(4±x)表述的氮化碳，是将尿素与碳酸氢钠按摩尔比制成尿素溶液，然后降温使溶液整体冷冻，得到均匀的白色块状固体；再迅速转移至真空冷冻干燥器中，在真空度≤20Pa，冷冻温度≤‑50℃条件下冷冻干燥，在氮气气氛炉中煅烧获得的固体，得到淡黄色粉末样品，将该样品透析提纯，即得到淡黄色的氮化碳纳米管。本发明专利技术公开的方法是一种有效实用的简单方法，适合实验室制备和工业化生产，具有广阔的发展空间和巨大的应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种氮化碳纳米管及其制备方法，尤其涉及一种氮化碳纳米管及具有环境友好的低成本高产量高性能可批量生产的简便制备该氮化碳纳米管的方法，属于纳米材料领域。
技术介绍
氮化碳(CN或C3N4)由在自然界中广泛存在的两种元素碳和氮组成，包含有非常稳定的三嗪(Triazine)和三均三嗪(Tri-s-triazine)单元。完美的氮化碳材料是一种窄禁带半导体(带隙宽度为2.7eV)。同时，氮化碳具有非常多引人注目的性能，例如耐热耐化学腐蚀、耐磨损、超硬、防水、密度小、无毒、良好的生物相容性，并具有很高的电子迁移速率和很强的氧化能力，这使得氮化碳成为一种非常重要的无金属元素的功能材料，作为光催化剂被广泛应用于分解水、太阳能转化、污染物降解等领域。纳米管(Nanotube，NT)是指样品的某一方面尺度为纳米(nm)级的由一层或多层管状同轴高分子组成的管状材料，以碳纳米管的发现为开端。其后又有氮化硼纳米管，硫化钼纳米管，碳化硅纳米管，氧化钛纳米管等纳米管材料。通常纳米管的长度为微米(μm)级，而其内经或外经在纳米尺寸范围内；亦或是其管壁厚度在纳米尺寸范围内。因此，纳米管的长度/直径比非常大，为一种典型的一维纳米材料。由于纳米管具有非常小的尺寸，并拥有较大的比表面积，同时独有特殊的管状结构，从而被赋予超乎寻常的物理化学性能，在传感器、电容器、物相固定、储氢、催化、电池电极，光电等领域有着极大的研究价值和应用前景。氮化碳纳米管(CNNT)具备氮化碳材料本身的特质(禁带窄、水分散性好、抗光辐射、耐腐蚀、生物相容性等优异性能)，同时由于其纳米管的特殊结构，是一种具有巨大潜在应有价值的材料。制备纳米管的方法通常分为两大类。一类方法是直接合成法，例如化学法，电弧法，化学气相沉积法，离子束辐射法。Chuanbao Cao课题组1采用化学法制得了管状的氮化碳，样品的比表面积较大且具有较高的比电容和较好的光催化性能。但是此方法的原料为对生物有害的三聚氰胺且制备过程中用到了强碱。Mukul Kumar课题组2采用化学气相沉积并结合模板成功制备了长尺寸的CNNT，并研究了其场发射性能。K.Suenaga课题组3提出了一种磁控溅射的方法，并采用此方法成功合成了CNNT。另一类方法是模板法，例如利用有序阵列作为模板制备纳米管，利用多孔材料作为模板制备纳米管等。Wei-Guo Song课题组4以多孔氧化铝纳米材料为模板，聚合乙二胺和四氯化碳制备出CNNT。所制备的材料表现出较好的催化性能。H.-Jurgen Meyer课题组5以三聚氰酰氯和多种固相氮源为原料进行复分解反应，并以中间产物N(C3N3Cl2)3作为模板在真空或氩气等特殊环境下成功制备了CNNT。虽然可以采用这两类制备出氮化碳纳米管，但是现有的方法存在很多不足：或是制备工序复杂，设备昂贵，生产周期漫长，产率低，不适宜大规模生产；或是在原料和制备过程中
用到对环境和健康有害的材料；或是制备的纳米管尺寸不好，性能不佳，不利于实用。因此，目前急需一种环保的可以批量生产纳米管的简便方法，并实现且由此方法制备的氮化碳纳米管产量高，性能优良。
技术实现思路
针对目前对氮化碳纳米管的潜在需求，现有的制备纳米管方法中存在的问题，以及氮化碳纳米管及其制备和应用存在的空白，本专利技术提出了一种氮化碳纳米管，并提出了一种环保的，可以批量生产的，产品性能好的简便制备该氮化碳纳米管的方法及其应用。本专利技术所述的氮化碳纳米管，其特征在于：所述氮化碳纳米管的成分为化学结构式C3N(4±x)表述的氮化碳，其中x＝0～1，所述氮化碳纳米管的形貌为圆形长管状，其长度为2-5μm，其内经为100-500nm，其外径为120-600nm，其壁厚为10-100nm。本专利技术所述的氮化碳纳米管尺寸统一，分布均匀。所述氮化碳纳米管产率可达60％以上，具有优异的性能。本专利技术所述氮化碳纳米管的制备方法，步骤是：(1)配制溶液：将尿素与碳酸氢钠以摩尔比为1～100:1的比例溶解于无杂质的水中，充分搅拌并混合均匀，制成尿素浓度为1～10mol/L的无色透明溶液；(2)冷冻：将步骤(1)得到的无色透明溶液放在低温环境中冷冻，冷冻温度为-20℃～-80℃，冷冻时间为24h以上，使溶液整体冷冻，得到均匀的白色块状固体；(3)干燥：将步骤(2)制得的白色块状固体迅速转移至真空冷冻干燥器中，在真空度≤20Pa，冷冻温度≤-50℃条件下冷冻干燥，冷冻干燥时间为20h以上，使白色块状固体冷冻干燥至恒重；(4)煅烧：将步骤(3)制得的白色块状固体放置于带盖的坩埚中，并放在氮气气氛炉中，以1～20℃/min的升温速度升温至400～700℃的煅烧温度，煅烧时间为1～5h，其中氮气流速为1～10ml/min；然后随炉降温，得到淡黄色粉末样品；(5)提纯：将步骤(4)制得的样品充分均匀分散于无杂质的水中得到淡黄色澄清溶液；然后静置淡黄色澄清溶液，静置时间大于12h；静置后去除上清液，取下层浑浊溶液用截留分子量为1～10kD的透析袋透析，透析时间为1～3天，去除钠离子及其它副产物和杂质；对提纯后的样品进行干燥，即得到淡黄色的氮化碳纳米管。上述氮化碳纳米管的制备方法中：所述尿素为普通工业用尿素，优选无杂质的粉末，更优选高纯度未潮解的结晶粉末；所述碳酸氢钠为普通工业用碳酸氢钠，优选无杂质的粉末，更优选高纯度结晶粉末；所述无杂质水优选纯净水或蒸馏水，更优选去离子水；所述氮气为工业用氮气，优选高纯氮气。上述氮化碳纳米管的制备方法中：步骤(1)所述尿素与碳酸氢钠摩尔比优选为5～50:1，更优选为10:1；所述尿素浓度优选为3～6mol/L，更优选为4mol/L；步骤(2)所述冷冻温度和冷冻时间根据溶液量的多少确定，使溶液冻成整体即可，优选为冷冻温度为-40℃～-60℃，优选冷冻时间为30～50h；步骤(3)所述的真空度越高越有利于产品的快速制备，所述冷冻温度越低越有利于产
品的高效制备，但从生产条件和整体效益角度考虑，真空度优选8Pa～10Pa，冷冻温度优选-80℃～-70℃，所述干燥时间根据块体总量的多少确定，使固体冷冻干燥至恒重即可，优选48h；步骤(4)所述的煅烧温度优选为500℃～600℃，更优选为550℃，保温时间优选为2～4h，更优选为3h，升温速度优选为5～15℃/min，更优选为10℃/min，氮气流速优选为3～7ml/min，更优选为5ml/min；步骤(5)所述的静置时间优选为20h，优选透析袋的截留分子量为3kD，优选透析时间为2天。本专利技术提出了一种氮化碳纳米管及具有环境友好的低成本高产量高性能可批量生产的简便制备该氮化碳纳米管的方法，其实施具有如下突出效果：①本专利技术所用的原材料为工业尿素和工业碳酸氢钠，辅助材料为工业氮气和无杂质水，材料来源广泛，简单易得、成本低廉，并且无毒无污染，不对环境和生物健康造成危害，是环境友好的材料；②本专利技术所涉及的制备方法简单，生产周期短，可以根据生产条件和效益灵活设定工艺参数，在生产过程中不涉及任何有毒有害添加物和副产物，是环保的生产工艺；③由于本专利技术所述制备方法简单，不限定单次制备氮化碳纳米管的生产规模，同时产率高可达60％以上，所以本专利技术可以用于大批量流水线式生产本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氮化碳纳米管，其特征在于：所述氮化碳纳米管的成分为化学结构式C3N(4±x)表述的氮化碳，其中x＝0～1，所述氮化碳纳米管的形貌为圆形长管状，其长度为2‑5μm，其内经为100‑500nm，其外径为120‑600nm，其壁厚为10‑100nm。

【技术特征摘要】
1.一种氮化碳纳米管，其特征在于：所述氮化碳纳米管的成分为化学结构式C3N(4±x)表述的氮化碳，其中x＝0～1，所述氮化碳纳米管的形貌为圆形长管状，其长度为2-5μm，其内经为100-500nm，其外径为120-600nm，其壁厚为10-100nm。2.权利要求1所述的氮化碳纳米管的制备方法，步骤是：(1)配制溶液：将尿素与碳酸氢钠以摩尔比为1～100:1的比例溶解于无杂质的水中，充分搅拌并混合均匀，制成尿素浓度为1～10mol/L的无色透明溶液；(2)冷冻：将步骤(1)得到的无色透明溶液放在低温环境中冷冻，冷冻温度为-20℃～-80℃，冷冻时间为24h以上，使溶液整体冷冻，得到均匀的白色块状固体；(3)干燥：将步骤(2)制得的白色块状固体迅速转移至真空冷冻干燥器中，在真空度≤20Pa，冷冻温度≤-50℃条件下冷冻干燥，冷冻干燥时间为20h以上，使白色块状固体冷冻干燥至恒重；(4)煅烧：将步骤(3)制得的白色块状固体放置于带盖的坩埚中，并放在氮气气氛炉中，以1～20℃/min的升温速度升温至400～700℃的煅烧温度，煅烧时间为1～5h，其中氮气流速为1～10ml/min；然后随炉降温，得到淡黄色粉末样品；(5)提纯：将步骤(4)制得的样品充分均匀分散于无杂质的水中得到淡黄色澄清溶液；然后静置淡黄色澄清溶液，...

【专利技术属性】
技术研发人员：桑元华，郭岱东，赵莉莉，蔡宁宁，李海东，马保金，刘伟，刘宏，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37