一种窄带隙氮化碳材料的制备方法及其产品和应用技术

本发明专利技术涉及一种窄带隙氮化碳材料的制备方法及其产品和应用，属于太阳能光电转换及存储技术领域。本发明专利技术公开了一种窄带隙氮化碳材料的制备方法，通过采用柠檬酸和尿素作为反应物，在制备过程中先将反应物在150～250℃的温度下进行水热反应获得前驱物、再将前驱物在4～100℃的温度下充分熟化、最后进行冷冻干燥即可获得窄带隙氮化碳材料，具有显著光电转换性能和光诱导赝电容特性，在制备光充电电极方面具有良好的应用效果。面具有良好的应用效果。面具有良好的应用效果。

【技术实现步骤摘要】
一种窄带隙氮化碳材料的制备方法及其产品和应用


[0001]本专利技术属于太阳能光电转换及存储
，具体涉及一种窄带隙氮化碳材料的制备方法及其产品和应用。

技术介绍

[0002]石墨相氮化碳((g
‑
C3N4)是一种具有二维层状结构的π共轭聚合物，是以庚嗪环或三嗪环为基本结构单元形成的碳氮聚合物。氮化碳由于其二维纳米结构、半导体特性、低价环保、优异的物理化学稳定性、易于合成及改性等独特的优势特性，近年来在光催化、超级电容器、太阳能电池、锂离子或钠离子电池、燃料电池等
被广泛应用。目前，氮化碳材料被发现具有的特性有：光催化特性(作为光催化剂光催化分解水及其它有机污染物)、表面对氧有强吸附及还原作用(燃料电池)、储能特性(超级电容器)、二维层状结构(锂离子或钠离子电池)等。
[0003]目前制备氮化碳材料的方法主要是先通过将含氮和碳的反应物进行水热反应得到前驱物，然后再通过热处理(400℃以上)获得氮化碳材料。按照常规方法制备的常见氮化碳材料一般为黄色或桔色，带隙值较宽，为2.7eV左右，因而只能吸收太阳光谱中波长小于450nm的光，而对太阳光谱中比例很高的可见光吸收较弱，因此几乎不具备光电转换能力，大大局限了其在光电相关
的应用。此外，氮化碳在非晶态时以氨基桥连，通过氨基上的氢与庚嗪环上的氮原子之间形成氢键来构建二维纳米结构，因而在高温下进行缩聚或晶化时，通常导致杂乱无规则的微观形态，严重影响其对自由电荷存储的性能，从而大大降低了其在储能技术方面的应用。现有技术中尚未发现氮化碳材料(或其它材料)可以将太阳能通过光电转换存储在材料中并以电能的形式释放出来，即在一个材料中同时兼具光电转换和电荷存储两种效应的特性。
[0004]因此，为了获得一种同时兼具光电转换和电荷存储效应的氮化碳材料以及拓宽其应用范围，有必要进行进一步的研究，既可以减小氮化碳材料的带隙、提高其对可见光的吸收能力，改善其光电转换性能；同时还可以获得有序的由二维纳米结构构建的多孔材料，提高其电荷存储性能。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术的目的之一在于提供一种窄带隙氮化碳材料的制备方法；本专利技术的目的之二在于提供一种窄带隙氮化碳材料；本专利技术的目的之三在于提供一种窄带隙氮化碳材料在制备光充电电极方面的应用。
[0006]为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0007]1.一种窄带隙氮化碳材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
[0008](1)将含有柠檬酸和尿素的反应体系在150～250℃的温度下进行水热反应0.5～6h，得到水热反应产物；
[0009](2)将所述水热反应产物在4～100℃的温度下保存10天～24个月，生成深蓝色溶
液；
[0010](3)将步骤(2)中得到的深蓝色溶液进行冷冻干燥处理，即可得到窄带隙氮化碳材料。
[0011]优选的，步骤(1)中所述反应体系中柠檬酸和尿素的质量比为1:1～2:1。
[0012]优选的，步骤(1)中所述反应体系的质量(柠檬酸和尿素的总质量)浓度为5～150g/L，所述反应体系中溶剂为水。
[0013]优选的，步骤(3)中所述冷冻干燥具体条件为：在
‑
20℃～
‑
90℃的温度下干燥24～96h。
[0014]2.根据上述制备方法制备得到的窄带隙氮化碳材料。
[0015]优选的，所述材料能够吸收波长为450～750nm的可见光和波长小于400nm的紫外光。
[0016]优选的，所述材料在638nm处的最大摩尔吸光系数ε
638nm
＝130.71L mol
‑1cm
‑1；
[0017]所述材料为蓝色粉末，所述材料的微观形态为二维网络构成多孔球形颗粒。
[0018]3.上述窄带隙氮化碳材料在制备光充电电极方面的应用。
[0019]优选的，所述制备光充电电极的方法具体为：将所述窄带隙氮化碳材料加入水调制成浆料，用刮涂或旋涂的方法涂覆在烧结了二氧化钛层的FTO导电玻璃上，即可得到窄带隙氮化碳光充电电极。
[0020]优选的，所述浆料中窄带隙氮化碳材料和水的质量比为1:0.00001～0.1；所述涂覆过程中浆料的涂覆厚度为0.01～1000μm。
[0021]本专利技术的有益效果在于：
[0022]1、本专利技术公开了一种窄带隙氮化碳材料的制备方法，通过采用柠檬酸和尿素作为反应物，在制备过程中先将反应物在150～250℃的温度下进行水热反应获得前驱物、再将前驱物在4～100℃的温度下充分熟化、最后进行冷冻干燥即可获得窄带隙氮化碳材料。该制备方法简单、容易操作，易于窄带隙氮化碳材料在工业上的大批量制备。
[0023]2、本专利技术还公开了制备得到的窄带隙氮化碳材料，该材料的基本结构特性为：1)以三嗪环或庚嗪环为基本结构单元，在微结构中含大量石墨域；2)微观形态为由二维纳米结构构建的三维多孔球体，表观形态为蓝色粉末；3)易溶于水，在高浓度状态下可形成延展性好、均匀的薄膜材料；4)具有显著光电转换性能；5)具有光诱导贋电容特性；6)所组装的单体电池可存储光能并以电能的形式释放。
[0024]3、本专利技术制备的窄带隙氮化碳材料，其带隙从现有的2.7eV减小为1.7eV左右，能够吸收波长为450～750nm的可见光和波长小于400nm的紫外光，其中对波长为500～700nm的可见光具有强吸收；在638nm处有吸收峰，且最大摩尔吸光系数ε
638nm
可达130.71L mol
‑1cm
‑1。该材料具有显著光电转换性能和光诱导贋电容特性，在制备光充电电极方面具有良好的应用效果。
[0025]本专利技术的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本专利技术的实践中得到教导。本专利技术的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
[0026]为了使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术作优选的详细描述，其中：
[0027]图1为实施例1中制备的窄带隙氮化碳材料；
[0028]图2为实施例1中制备的窄带隙氮化碳材料的TEM图；
[0029]图3为本专利技术制备的窄带隙氮化碳材料(PCN)的紫外
‑
可见吸收光谱图(a)和紫外
‑
可见透射光谱图(b)；
[0030]图4为采用本专利技术制备的窄带隙氮化碳材料(PCN)制备的电极的层状结构示意图；
[0031]图5为窄带隙氮化碳光充电电极的循环伏安特性曲线(a)和恒电流充放电曲线(b)。
具体实施方式
[0032]以下通过特定的具体实例说明本专利技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本专利技术的其他优点与功效。本专利技术还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种窄带隙氮化碳材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：(1)将含有柠檬酸和尿素的反应体系在150～250℃的温度下进行水热反应0.5～6h，得到水热反应产物；(2)将所述水热反应产物在4～100℃的温度下保存10天～24个月，生成深蓝色溶液；(3)将步骤(2)中得到的深蓝色溶液进行冷冻干燥处理，即可得到窄带隙氮化碳材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述反应体系中柠檬酸和尿素的质量比为1:1～2:1。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述反应体系的质量浓度为5～150g/L，所述反应体系中溶剂为水。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述冷冻干燥具体条件为：在
‑
20℃～
‑
90℃的温度下干燥24～96h。5.根据权利要求1～4任一项所述的制备方法制备得到的窄带隙氮化碳材料。6.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐笑，何利蓉，张灵，李艳虹，相国涛，周贤菊，谢广新，凌发令，姚璐，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：