【CN109772419A】在限域空间构筑氮化碳基超薄纳米片复合材料的制备方法【专利】

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CN 109772419 A
说 明 书
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在限域空间构筑氮化碳基超薄纳米片复合材料的制备方法
技术领域 [0001] 本发明属于光催化领域，尤其涉及一种在限域空间构筑氮化碳基超薄纳米片复合 材料的制备方法。
背景技术 [0002] 能源、信息和材料是当代社会发展的三种支柱 , 近年来随着社会经济的不断发 展 ,能源短缺已经成为限制经济发展的重要因素。为了进一步推动可持续发展 ,必须大力发 展各类新的绿色能源 ,半导体光催化技术是一种高效、清洁、环境友好型、可再生能源的新 兴技术 ，能 够利 用天然的 太阳光驱 动一 系列的 化学反应 ，将太阳能 转化为化学能 (例如氢 能) ,并且在环境净化和开发新能源上它表现出了巨大的潜力，因此半导体光催化技术成为 了目前的科学的重点研究方向。 [0003] 在文献Nature , 1972 , 238: 37-38中，日本科学家 Fujishma 和 Honda 发现 TiO2能够作为光催化剂分解水制备氢气和氧气，二氧化钛(TiO2)是一种比较成熟的光催化 剂，具有廉价 ，无毒 、高稳定性、紫外光催化效率高等优点。然而，TiO2的宽带隙和不响应 可见 光的 缺点 ，在一 定程 度上限 制了其 在可见光光 催化领 域的 应 用。在文献Na tu re Materials，2009，8：76–80中，Wang等人率先发现石墨相氮化碳(g-C3N4)在可见光下具有较 为良好的响应和催化性能。但是传统方法制备的石墨相氮化碳(g-C3N4)半导体光催化剂材 料 ，由 不规则堆叠的厚片堆叠而成 ，其层状团聚的 颗粒 和褶皱状堆叠的厚片形貌极严重影 响了其光催化性能。此外，石墨相氮化碳(g-C3N4)材料仅能吸收波长范围在太阳光中的紫 外光波段 ，而紫外波段在太阳光中 却占 很小的比 例。因此这些半导体材料在可见光催化的 应用上受到了很大的限制。为了解决这个问题，掺杂现有的半导体和将贵金属即有效的助 催化剂与光催化剂材料的表面结合是两种有效的方式使其吸收的光范围扩展到可见光部 分。然而对于掺杂后的样品不太稳定，掺杂物会成为新的载流子复合中心，导致光生载流子 对的减少。而且将贵金属与光催化剂材料表面结合成本较高。因此开发一种新型光催化剂 材料来取代传统的石墨相氮化碳(g-C3N4)半导体光催化材料显得尤为重要。 [0004] 与传统方法制备的石墨相氮化碳(g-C3N4)半导体光催化剂材料相比 ，在限域空间 构筑氮化碳基超薄纳米片复合材料不仅呈现出的 纳米片具有尺寸较小 ，透明 ，平滑薄纱状 的碎片结构，部分薄片叠层在一起，并且具有良好的分散性。半导体纳米薄片的电子态由体 相材料的能带随着尺寸减小过渡到具有分立结构的能级，表现在吸收光谱上就是从没有结 构的宽吸收带过渡到具有结构的吸收特性。此外，相比于石墨相氮化碳(g-C3N4)半导体光 催化剂，在限域空间构筑氮化碳基超薄纳米片复合材料禁带宽度明显减小，说明该材料对 光的吸收性和利用率更强。而在氮化碳基超薄纳米片材料中 ，碳环与氮化碳形成平面异 质 结构，由于碳对电子具有良好的传导作用，能够促进半导体光催化材料表面光生电子-空穴 对的分离，抑制体内电子与空穴的再复合，有效地提高光催化性能。目前关于氮化碳基复合 材料的国内外报道的主要合成方法是利用葡萄糖等含碳量高的有机化合物混合三聚氰胺 通过水热或溶剂热法制备材料。但这种方法得到的材料仍呈现无规整的厚片状形貌。而在
（1）将氰胺与蛭石混合 ，程序升温至300～400℃ ，再缓慢冷 却至室温 ，得到氰胺插层蛭 石前体；
（2）将步骤（1）所述氰胺插层蛭石前体与有机溶液搅拌反应 ，抽滤洗涤后烘干 ；在空 气 中加热至500～650℃，再缓慢冷却至室温；
（3）将步骤（2）所得产物与强酸反应，抽滤洗涤滤饼后烘干。 2 .根据权利要求1所述的在限域空间构筑氮化碳基超薄纳米片复合材料的制备方法， 其特征在于：所述步骤（1）中，氰胺与蛭石混合均匀后置于氧化铝坩埚中，在空气中以1～10 ℃/min加热至300～400℃，维持1～4h后，再缓慢冷却至室温。 3 .根据权利要求2所述的在限域空间构筑氮化碳基超薄纳米片复合材料的制备方法， 其特征在于 ：所述步骤（2）中 ，将氰胺插层蛭石前体与1～40mL有机溶液在40～90℃下搅拌 反应2～60h，抽滤洗涤后40～80℃烘干；在空气中加热至500～650℃，维持1～4h后，再缓慢 冷却至室温。 4 .根据权利要求3所述的在限域空间构筑氮化碳基超薄纳米片复合材料的制备方法， 其特征在于：所述步骤（3）中，将所得产物与强酸在40～90℃下搅拌反应2～60 h，抽滤并用 去离子水洗涤滤饼后40～80℃烘干。 5 .根据权利要求4所述的在限域空间构筑氮化碳基超薄纳米片复合材料的制备方法， 其特征在于 ：所述步骤（1）中 ，所述氰胺为单氰胺、二氢二氨或三聚氰胺中的一种或两种以 上的混合物。 6 .根据权利要求5所述的在限域空间构筑氮化碳基超薄纳米片复合材料的制备方法， 其特征在于：所述氰胺与蛭石的质量比为1:1～20。 7 .根据权利要求6所述的在限域空间构筑氮化碳基超薄纳米片复合材料的制备方法， 其特征在于：所述步骤（2）中，有机溶液为醛溶剂。 8 .根据权利要求7所述的在限域空间构筑氮化碳基超薄纳米片复合材料的制备方法， 其特征在于：所述醛溶剂为甲醛溶剂、乙醛溶剂或丁醛溶剂中的一种或两种以上的混合物。 9 .根据权利要求8所述的在限域空间构筑氮化碳基超薄纳米片复合材料的制备方法， 其特征在于：在空气中加热升温速率为1～10 ℃/min。 10 .根据权利要求9所述的在限域空间构筑氮化碳基超薄纳米片复合材料的制备方法， 其特征在于：所述步骤（3）中，强酸为盐酸、硫酸或氢氟酸中的一种或两种以上的混合物。
代理人 郭元艺
(51)Int .Cl . B01J 27/24(2006 .01) B01J 37/08(2006 .01) B82Y 30/00(2011 .01) B82Y 40/00(2011 .01) C01B 3/04(2006 .01)
( 54 )发明 名称 在限域空间构筑氮化碳基超薄纳米片复合
(10)申请公布号 CN 109772419 A (43)申请公布日 2019.05.21
权利要求书1页 说明书4页 附图3页
CN 109772419 A
CN 109772419 A
权 利 要 求 书
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1 .一种在限域空间构筑氮化碳基超薄纳米片复合材料的制备方法，其特征在于，按如 下步骤实施：
( 19 )中华人民 共和国国家知识产权局
( 12 )发明专利申请
(21)申请号 201910178756 .8
(22)申请日 2019 .03 .11
(71)申请人 Байду номын сангаас宁石油化工大学 地址 113001 辽宁省抚顺市望花区丹东路 西段1号
(72)发明人 杨占旭 王崇泽 谭文 崔博洋
(74)专利代理机构 沈阳亚泰专利商标代理有限 公司 21107
材料的制备方法 ( 57 )摘要
本发明属于光催化领域，尤其涉及一种在限 域空间构筑氮化碳基超薄纳米片复合材料的制 备方法 ，按如下步骤实施 ：（1）将氰胺与蛭石混 合 ，程序升温至300～400℃ ，再缓慢冷却至室温 ， 得到氰胺插层蛭石前体 ：（2）将所述氰胺插层蛭 石前体与有机溶液搅拌反应 ，抽滤洗涤后烘干 ； 在空 气中 加热 至 5 0 0 ～ 65 0 ℃ ，再缓 慢冷 却至室 温（；3）将所得产物与强酸反应，抽滤洗涤滤饼后 烘干。本发明成本低，易于工业化生产，目的产物 分散性好且具有优良光催化性能。