石墨相碳氮化合物粉体、其制备方法及应用技术

一种石墨相碳氮化合物粉体、其制备方法及应用。该粉体采用由碳元素和氮元素组成的芳香多元杂环作为平面重复单元，并具有层状石墨相结构。其制备方法是：取含有碳氮元素的有机小分子化合物等前驱体缓慢加热至450～600℃，并在此温度条件下反应至生成黄色固体，而后将获得的固体以酸性溶液洗涤、干燥，获得目标产物。本发明专利技术利用含碳氮两种元素的分子等廉价易得原料作为单一分子前驱体，在常压下通过固相反应获得产物，工艺简单，无需调控反应气氛，设备投入小，可实现规模化生产，且获得的产物具有多种可供选择的实用形式，可被广泛应用于空气净化、污水处理、自清洁涂料，光解水制氢及CO2光催化还原等环境净化和太阳能转化利用等行业。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术特别涉及一种石墨相碳氮化合物粉体材料、其规模化制备方法及应用，属于环境和清洁能源

技术介绍
环境污染和能源紧缺问题越来越引起人们的关注。光催化技术作为一种绿色、环保、低能耗的技术在治理环境水体或空气中难以自降解的持久性有机污染物和制备易于携带和存储的清洁太阳能燃料等方面有重要的应用价值。太阳能是一种可再生且具有间歇性(intermittent)的资源。通过光催化技术把太阳能转换为高能化学键用于环境净化和清洁燃料是高效利用该资源的重要途径。其中， 发展环境友好、组成元素地球含量丰富、可见光响应、光催化性能稳定的半导体光催化材料是太阳能光催化技术发展的关键问题之一。碳氮化合物是由碳和氮元素组成的芳香多元杂环(tri-s-triazine)作为平面重复单元，具有石墨相的层状结构的固体。该材料具有半导体特性，其带隙宽度为2. 7ev。因其组成元素地球含量丰富，可见光响应(被可见光激发)和化学稳定性等特性成为环境净化和清洁能源领域重点研究和发展的新材料。目前，已有几种该材料的合成方法，如CVD、溶剂热、固相反应和热分解方法等。这些方法虽然可以获得碳氮化合物，但存在着设备投入大、原料昂贵且不易得到、反应需要高压和环境不友好溶剂，以及产量低等缺点，还不能够满足规模化低成本制备的要求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提出一种石墨相碳氮化合物粉体、其制备方法及应用，其利用含碳氮元素的分子作为单源前驱体，在常压和不需要调控反应气氛的条件下使用简单的反应器，即可低成本，简单的实现石墨相碳氮化合物的规模化制造，且所得产物具有多种实用形式，可在光催化领域广泛应用。为实现上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案如下一种石墨相碳氮化合物粉体，其采用由碳和氮元素组成的芳香多元杂环作为平面重复单元，并具有层状石墨相结构，所述碳氮化合物中碳元素和氮元素的物质的量比为 0. 66 1。所述粉体颗粒的粒径为200nm 10 μ m。如上所述石墨相碳氮化合物的制备方法，其特征在于，该方法为取前驱体缓慢加热至450 600°C，并在此温度条件下反应3h以上，直至生成黄色固体，而后将获得的黄色固体以酸性溶液洗涤、干燥，获得目标产物；所述前驱体采用含有碳氮元素的有机小分子化合物。进一步的讲，所述前驱体可选自但不限于三聚氰胺、氰胺、二氰胺、尿素、缩二尿和三氯乙胺。优选的，该方法中是以2-8°C /min的升温速率将前驱体加热至450 600°C。更为优选的，前述加热过程在坩埚中即可进行，所述坩埚的材质可选自但不限于陶瓷、氧化铝、氧化镁、氧化锆、碳化硅、莫来石、不锈钢、钛及钛合金等。该方法中对黄色固体进行洗涤、干燥的操作具体为将黄色固体置于酸性溶液中充分搅拌，而后将混合溶液静置至固体完全沉淀，再除去上层清液，其后加入水，并重复前述操作一次以上，最后将固体滤出、干燥。优选的，所述干燥是指将固体在室温下减压干燥或在80°C烘干。所述目标产物为颗粒粒径为200nm 10 μ m的粉体。如上石墨相碳氮化合物粉体，其特征在于，所述碳氮化合物粉体是通过如下方法制备的取前驱体以2-8°C /min的升温速率加热至450 600°C，并在此温度条件下反应3h 以上，直至生成黄色固体，而后将获得的黄色固体以酸性溶液洗涤、干燥，获得目标产物；所述前驱体采用含有碳氮元素的有机小分子化合物。所述前驱体为三聚氰胺、氰胺、二氰胺、尿素、缩二尿和三氯乙胺中的任意一种或两种以上的组合。该制备方法中对黄色固体进行洗涤、干燥的操作具体为将黄色固体置于酸性溶液中充分搅拌，而后将混合溶液静置至固体完全沉淀，再除去上层清液，其后加入水，并重复前述操作2 3次，最后将固体滤出，并在室温下减压干燥或在80°C烘干。所述酸性溶液可选自但不局限于稀硝酸，比如，亦可为稀盐酸、稀硫酸等无机酸溶液或其他有机酸溶液等。如上所述的石墨相碳氮化合物粉体作为光催化材料的应用。其应用领域包括空气净化、污水处理、自清洁涂料，光解水制氢及CO2光催化还原制备太阳能燃料等环境净化和太阳能转化利用等行业。如上所述的石墨相碳氮化合物粉体的实用形式可以为(1)固态粉体直接把得到的固态粉体投入到需要处理的水体中。(2)气溶胶把一定尺寸的粉体分散到一定的环境友好的溶剂中，喷雾于需要处理的空气中。(3)液态或固态分散液把一定尺寸的粉体分散到目标溶剂(如添加到油漆，涂料寸J ο(4)担载于固体表面把一定尺寸的粉体涂布到固体表面(如景观建筑，家用卫具，地毯，窗帘，玻璃等)。附图说明图1是实施例1中石墨相碳氮化合物粉体的TEM照片；图2a和2b分别是实施例1中碳氮化合物粉体的可见光吸收光谱和XRD图；图3是实施例1中碳氮化合物粉体直接作为光催化剂在可见光照射下稳定降解水中的有机污染物(methylene blue)的性能曲线，其中N表示循环次数，A表示吸附，D表示光催化降解；图4是实施例1中碳氮化合物粉体作为催化剂在可见光照射下光催化分解水制备氢气的性能曲线，该催化剂不用外加辅助牺牲电子试剂(sacrificialelectron donor)，没有Pt作为共催化剂，催化剂的浓度为lmg/mL。具体实施例方式实施例1该碳氮化合物粉体的制备方法包含的步骤依次为烘干把5g尿素放入坩埚中，在一定温度下烘干；热处理把烘干处理后的样品放入加热炉中。以3°C /min的升温速率至550°C，在该温度下反应3h，获得黄色固体；洗涤把得到的黄色固体放入稀硝酸中，在搅拌条件下洗涤24h。停止搅拌，待粉体完全沉淀后，去除上层清夜。最后加入去离子水，在搅拌条件下，重复洗涤2-3次后静置沉降；过滤和干燥通过过滤获得沉降后的下层粉体，并在室温下采用减压干燥或在 80°C烘干，获得粉体状的目标产物，其平均颗粒粒径为500nm。元素分析表明其中C、N的比例是 C N = 0. 73。实施例2该碳氮化合物粉体的制备方法包含的步骤依次为烘干把IOg三聚氰胺放入坩埚中，在一定温度下烘干；热处理把烘干处理后的样品放入加热炉中。以7。C /min的升温速率至550°C，在该温度下反应3h，得到黄色固体；洗涤把得到的黄色固体放入稀硝酸中，在搅拌条件下洗涤24h。停止搅拌，待粉体完全沉淀后，去除上层清夜。最后加入去离子水，在搅拌条件下，重复洗涤2-3次后静置沉降；过滤和干燥通过过滤获得沉降后的下层粉体，并在室温下采用减压干燥或在 80°C烘干，获得粉体状的目标产物，其平均颗粒粒径为0. 6 μ m。元素分析表明其中C、N的比例是C N = 0. 8。实施例3取实施例1或实施例2所得碳氮化合物粉体担载于玻璃表面，其步骤依次为取IOmg粉体材料，超声分散到IOOmL乙醇和Nafion溶液(0. 5mL, 5wt% )中；取20mL使用drop casting的方法涂布到3cmX6cm的玻璃表面；在红外灯下烘烤干燥成膜。实施例4以碳氮化合物粉体材料作为光催化剂的可见光光催化降解有机染料以次甲基蓝水溶液为模型污水来评价该催化剂的高吸附、高光催化氧化活性。实验条件设置为⑴IOOmg碳氮半导体粉体分散到IOOmL浓度为IOmg. L-I的次甲基蓝水溶液中，超声分散IOmin ;(2)在避光和搅拌的环境下，每隔15min取样、离心，检测清液中次甲基蓝本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种石墨相碳氮化合物粉体，其采用由碳元素和氮元素组成的芳香多元杂环作为平面重复单元，并具有层状石墨相结构，其特征在于：所述粉体颗粒的粒径为２００ｎｍ～１０μｍ。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈韦，刘景海，张铁锴，汪志超，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：32