一种氮化碳/钽酸钙钾纳米片复合材料的制备方法及用途技术

本发明专利技术属于纳米材料和光催化技术领域，具体涉及一种氮化碳/钽酸钙钾复合纳米材料的制备方法及用途。本发明专利技术的目的是要解决现有技术制备的氮化碳光催化剂存在可见光利用率低、空穴与电子容易复合的问题。本发明专利技术采用水热法制备氮化碳/钽酸钙钾复合半导体材料，具有成本低廉、制备工艺简单、反应条件温和、催化效率高等优点，所制备的复合光催化剂在可见光辐照下具有较好的分解水制氢效果，在氢能源制备方面具有较大的潜力。

Preparation method and application of carbon nitride / potassium tantalate calcium nanosheet composite material

The invention belongs to the field of nanometer materials and photocatalysis technology, in particular to a preparation method and application of carbon nitride / potassium tantalate calcium potassium composite nano materials. The aim of the invention is to solve the problem that the carbon nitride photocatalyst prepared by the existing technology has low visible light utilization rate, and holes and electrons are easily combined. The invention has the advantages of low cost, simple preparation process, mild reaction conditions and high catalytic efficiency by hydrothermal method. The prepared composite photocatalyst has better hydrogen production effect under visible light irradiation, and has great potential in the preparation of hydrogen energy. Power.

【技术实现步骤摘要】
一种氮化碳/钽酸钙钾纳米片复合材料的制备方法及用途
本专利技术属于纳米材料领域，涉及一种氮化碳/钽酸钙钾纳米片复合纳米材料的制备方法，具体说是一种钙钛矿结构的氮化碳/钽酸钙钾纳米片复合材料及其制备方法与用途。技术背景石墨相氮化碳(graphiticcarbonnitride，g-C3N4)，作为一种新型非金属聚合物半导体材料，具有带隙(2.7eV)窄、无毒、成本低、热稳定性好等特性，引起人们的广泛关注。然而，在实际应用中单纯的g-C3N4光生电子-空穴对易复合，导致光催化活性较低。因此研究者们希望通过构筑复合光催化材料来改进氮化碳的光催化活性。钽酸钙钾KCa2Ta3O10(简写为KCTO),作为一种二维(2D)层状结构的钙钛矿，具有低成本，无毒，化学性质稳定等特点，但此类钙钛矿型金属氧化物纳米因自身带隙宽等(约3.5eV)导致光催化活性较差。研究者们发现，与0D-2D,1D-2D复合材料相比，2D-2D材料具有较大的接触面积，有利于光生电荷的迁移从而增强其光催化性能。因此构筑氮化碳/钽酸钙钾2D-2D纳米异质结构复合光催化材料有助于改善钽酸钙钾的光催化活性。到目前为止，尚未发现有制备氮化碳/钽酸钙钾氮化碳复合纳米材料及其光催化应用的文献资料报道。所得复合材料在太阳光照下具有良好的光催化产氢性能，且制备过程绿色环保，在氢能源的制备中拥有广阔的应用前景。
技术实现思路
本专利技术针对石墨相氮化碳复合纳米材料的可见光催化效率低的问题,提供了一种简单的氮化碳/钽酸钙钾复合纳米材料光催化材料制备方法。该制备方法以简单易行的水热法合成氮化碳/钽酸钙钾复合材料，制备得到的光催化剂具有较好的太阳光光催化制氢效率。本专利技术技术方案如下：(1)制备石墨相氮化碳(g-C3N4)粉末：称取一定量的三聚氰胺于半封闭的坩埚中，先置于80℃干燥箱中48h将原料烘干，将坩埚转移至程序升温管式炉中；以3～5℃/min的升温速率升温至400～600℃煅烧2～6h；待自然冷却至室温后，取出，用研鉢研磨至粉末状后，用0.05-0.2mol·L-1稀硝酸清洗数次，去除残留碱性物，再用蒸馏水和无水乙醇洗净产物，离心，干燥，用研鉢研磨至粉末状后备用，得到g-C3N4样品。(2)制备钽酸钙钾KCa2Ta3O10块状粉末：称取碳酸钾研磨3～5min，再按照比例称取碳酸钙粉末与碳酸钾粉末共同研磨5～10min，最后按照比例称取五氧化二钽，置于研钵中进行研磨5～10min，将所得混合物的粉末转移至刚玉坩埚中，置于管式炉中煅烧，待自然冷却至室温后，取出，得到钽酸钙钾块状粉末；所述原材料碳酸钾，碳酸钙和五氧化二钽的摩尔比为1.1：2：3。所述煅烧方式为：首先以3～6℃/min的升温速度升温至600～800℃后，再以1～3℃/min的升温速度升温至1000～1400℃，煅烧12-16h。降温速度为4～6℃/min，降温至400～600℃后室温冷却。(3)制备钽酸钙钾(KCTO)片状粉末：称取步骤(2)所得的块状粉体于烧杯中，浸泡在硝酸溶液中充分搅拌得到H+Ca2Ta3O10，离心水洗醇洗数次，烘干，称取H+Ca2Ta3O10粉末，转移至烧杯中加入四丁基氢氧化铵溶液与去离子水，不间断的搅拌超声，得到H+Ca2Ta3O10胶体，然后将H+Ca2Ta3O10胶体滴加到氯化钾溶液中，搅拌，静止，离心，水洗醇洗，烘干，研磨，得到KCTO片状粉末；所述硝酸溶液浓度为3～6M，搅拌时间为48～72h。H+Ca2Ta3O10、四丁基氢氧化铵溶液、去离子水、氯化钾溶液的用量比例为1g：0.5～3ml：100～300ml：100～300ml；其中，四丁基氢氧化铵溶液的浓度为10％；氯化钾溶液的浓度为1～3M；(4)制备g-C3N4/KCa2Ta3O10复合材料：a:称取步骤(3)所得的钽酸钙钾片粉末加入到研钵中研磨数分钟后按比例加入步骤(1)制备的氮化碳粉末，将两种材料共同研磨数分钟后转移至烧杯中加入的去离子水，超声分散，并搅拌均匀后转移至聚四氟乙烯内衬的水热反应釜中，置于烘箱中煅烧，进行水热反应，离心洗涤，干燥。步骤a中，所述KCa2Ta3O10与g-C3N4的比例为1g:0.42～0.67g。所述水热反应的温度为120～160℃，反应时间为10～14h；所述干燥的温度为60℃，干燥时间为12h。所述超声反应中所用超声机的功率为250W，超声时间为0.5-1h。本专利技术所述一种钽酸钙钾/氮化碳复合材料用于光催化分解水制氢的用途。利用X射线衍射仪(XRD)、透射电子显微镜(TEM)，对产物进行形貌结构分析，以甲醇作为溶液，模拟可见光进行光催化制氢实验。本专利技术的特点：本专利技术采用锻烧法和水热法成功制备了高效的g-C3N4/KCa2Ta3O10纳米片复合光催化剂，制备过程具有工艺简单、成本低廉、周期短、环境友好等优点。所制备的二元g-C3N4/KCa2Ta3O10光催化材料有效提升了光生电子-空穴对的分离效率，进而提高了光催化制氢的性能，且复合光催化剂的可循环稳定性能良好，在催化制氢领域具有潜在的应用前景。附图说明图1为所制备单纯g-C3N4、KCa2Ta3O10、g-C3N4/KCa2Ta3O10复合光催化剂的XRD衍射谱图。图2a、b、c分别为所制备单纯g-C3N4、单纯KCa2Ta3O10样品、KCa2Ta3O10/g-C3N4复合材料的透射电镜照片；d为g-C3N4/KCa2Ta3O10复合催化剂的高分辨透射电镜照片。图3为所制备的单纯g-C3N4、单纯KCa2Ta3O10样品、g-C3N4/KCa2Ta3O10复合材料可见光产氢性能图。具体实施方式实施例1(1)石墨相碳化氮(g-C3N4)的制备：g-C3N4的制备采用的是热聚合三聚氰胺的方法；称取10g的三聚氰胺于半封闭的坩埚中，先置于80℃干燥箱中48h将原料烘干，然后将坩埚转移至程序升温管式炉中。以3℃/min的升温速度加热至500℃煅烧3h。待自然冷却至室温后，取出，用研钵研磨至粉末状后，用浓度为50mL0.01mol·L-1的稀HNO3清洗3次，去除残留碱性物种，再用去离子水和无水乙醇分别清洗3次。最后于80℃烘箱中干燥12h。(2)钽酸钙钾(KCa2Ta3O10)的制备：首先称取0.0860的g碳酸钾粉末，研磨5分钟，并按照比例称取0.2265g的碳酸钙粉末，与碳酸钾研磨过的粉末共同研磨5分钟后按照比例称取0.7500g的五氧化二钽粉末，与研磨过的碳酸钾，碳酸钙混合粉末共同研10分钟。将混合后的粉末转移至坩埚中，并置于管事炉中以5℃/min的升温速度升温至600～800℃后，再以3℃/min的升温速度升温至1200℃，煅烧14h。降温速度为4℃/min，降温至600℃后室温冷却。回收产物，研磨后得到钽酸钙钾块状粉末。称取块状粉体2g于烧杯中，加入5M硝酸溶液200ml搅拌72h，使其质子化得到H+Ca2Ta3O10,所得物质离心烘干后，称取0.1将粉体转移至烧杯中，加入100ml去离子水，0.05ml四丁基氢氧化铵溶液不间断搅拌超声15天，得到H+Ca2Ta3O10胶体，然后将H+Ca2Ta3O10胶体滴加到2M的氯化钾溶液中搅拌，静止，离心出固体，水洗醇洗数次，烘干，取出，用研鉢研磨至粉末状后备用得到KCa2T本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氮化碳/钽酸钙钾复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)制备石墨相氮化碳g‑C3N4粉末，备用；(2)制备钽酸钙钾KCa2Ta3O10块状粉末，备用；a：称取一定量的碳酸钾粉末，研磨数分钟；b：按比例称取一定量的碳酸钙粉末，与研磨过的碳酸钾粉末再共同研磨数分钟；c：按比例称取一定量的五氧化二钽粉末，与研磨过的碳酸钾，碳酸钙混合粉末共同研磨数分钟；d：将混合后的粉末转移至坩埚中，并置于管式炉中煅烧，待自然冷却到室温后，取出得到钽酸钙钾块状粉末；(3)制备钽酸钙钾片状粉末：称取步骤(2)所得的块状粉体于烧杯中，浸泡在硝酸溶液充分搅拌使其质子化得到H+Ca2Ta3O10,所得物质离心水洗醇洗数次，烘干，将粉体转移至烧杯中，加入四丁基氢氧化铵溶液与去离子水，不间断的搅拌超声，得到H+Ca2Ta3O10胶体，然后将H+Ca2Ta3O10胶体滴加到氯化钾溶液中，搅拌，静止，离心，水洗醇洗数次，烘干，研磨，得到KCa2Ta3O10片状粉末；(4)制备氮化碳/钽酸钙钾复合材料：按比例称取步骤(3)制备的钽酸钙钾片粉末置于研钵中研磨数分钟后按比例加入步骤(1)制备的g‑C3N4粉末，再混合研磨数分钟后转移去离子水中超声分散，搅拌均匀，将获得的溶液转移到聚四氟乙烯内衬的水热反应釜中，置于烘箱中煅烧，进行水热反应，离心洗涤，干燥。...

【技术特征摘要】
1.一种氮化碳/钽酸钙钾复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)制备石墨相氮化碳g-C3N4粉末，备用；(2)制备钽酸钙钾KCa2Ta3O10块状粉末，备用；a：称取一定量的碳酸钾粉末，研磨数分钟；b：按比例称取一定量的碳酸钙粉末，与研磨过的碳酸钾粉末再共同研磨数分钟；c：按比例称取一定量的五氧化二钽粉末，与研磨过的碳酸钾，碳酸钙混合粉末共同研磨数分钟；d：将混合后的粉末转移至坩埚中，并置于管式炉中煅烧，待自然冷却到室温后，取出得到钽酸钙钾块状粉末；(3)制备钽酸钙钾片状粉末：称取步骤(2)所得的块状粉体于烧杯中，浸泡在硝酸溶液充分搅拌使其质子化得到H+Ca2Ta3O10,所得物质离心水洗醇洗数次，烘干，将粉体转移至烧杯中，加入四丁基氢氧化铵溶液与去离子水，不间断的搅拌超声，得到H+Ca2Ta3O10胶体，然后将H+Ca2Ta3O10胶体滴加到氯化钾溶液中，搅拌，静止，离心，水洗醇洗数次，烘干，研磨，得到KCa2Ta3O10片状粉末；(4)制备氮化碳/钽酸钙钾复合材料：按比例称取步骤(3)制备的钽酸钙钾片粉末置于研钵中研磨数分钟后按比例加入步骤(1)制备的g-C3N4粉末，再混合研磨数分钟后转移去离子水中超声分散，搅拌均匀，将获得的溶液转移到聚四氟乙烯内衬的水热反应釜中，置于烘箱中煅烧，进行水热反应，离心洗涤，干燥。2.如权利要求1所述的一种氮化碳/钽酸钙钾复合材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，制备石墨相氮化碳g-C3N4粉末的步骤为：称取一定量的三聚氰胺放置于半封闭的坩埚中，先置于80℃干燥箱中48h将原料烘干，将坩埚转移至自动程序升温的管式炉中，以3～5℃/min的升温速率升温至400～600℃煅烧2～6h；待自然冷却至室温后，取出，用研鉢充分研磨至粉末状后，用0.05-0.2mol·L-1稀HNO3清洗数次，去除残留碱性物，再用蒸馏水和无水乙醇洗净产物，离心，干燥，用研鉢研磨至粉末状后备用，得到g-C3N4样品...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜德立，马婉霞，李娣，肖鹏，陈敏，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32