(精品)碳材料-氮化碳PPT

七、CNNS/CdS QDs复合材料的表征
氮化碳（C3N4）
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背景及简介
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石墨相氮化碳
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文献研究
背景及简介
1989年 A.Y. Liu和M.LΒιβλιοθήκη Baidu Cohen根据β-Si3N4的晶体结构， 用C替换Si，在局域态密度近似下采用第一性赝势能带法从理 论上预言了β-C3N4(即氮化碳)这种硬度可以和金刚石相媲美而 在自然界中尚未发现的新的共价化合物。
超分子自组装法制备氮化碳聚合物
信息来源：Jun Y S, Lee E Z, Wang X C, et al. Advanced Functional Materials [J], 2013, 23 （29）： 3661-3667
超分子自组装法制备氮化碳聚合物
超分子自组装合成方法在很大程度上受到溶剂种类、组装时间、超分子 表面能、焙烧温度和时间的影响。
光催化机理图
超分子自组装法制备氮化碳聚合物
Thomas 等通过将等摩尔比的三聚氰胺和三聚氰酸溶解在二甲基亚砜溶剂中进 行自组装形成超分子再分离出来, 得到具有叠层堆垛的花球形貌超分子组装体, 进一步焙烧热聚合成氮化碳纳米材料
信息来源：Jun Y S, Lee E Z, Wang X C, et al. Advanced Functional Materials [J], 2013, 23 （29）： 3661-3667
信息来源：Shalom M, Inal S, Fettkenhauer C, et al. Journal of the American Chemical Society [J], 2013, 135 （19）： 7118-7121. 右图来源于自己拍摄
热聚合法制备g-C3N4 nanosheets（CNNS）
制备氮化碳的实验是在1989年首先从理论上预言4年之后获得成功的。在分 析一系列超硬材料结构，如最硬的材料金刚石，体积弹性模量B高达 435GPa(吉帕)，立方氮化硼B=369GPa，以及硬度相对较低的碳化硅(SiC)、 碳化硼(B4C)和氮化硅(Si3N4)等超硬材料后，发现其中β-Si3N4已经有大量 的研究结果，于是提出以C取代Si会产生怎样的结果?计算表明，得到的数 据令人振奋，β-C3N4晶体的体积弹性模量B=483GPa!而材料的体积弹性 模量B的大小正是表征材料硬度高低的宏观物理量。这就从理论上首次预言 了氮化碳的硬度可能比以往世界上最硬的金刚石还要高。
前驱体
550℃，4h 淡黄色 固体
加水 超声4h
离心，取上清液 60℃烘干
CNNS
前驱体：尿素、三聚氰胺、二聚氰胺及其组合等
五、g-C3N4 nanosheets的改性
2、4、6-三氨基密啶掺杂：将2、4、6-三氨基密啶与 前驱体混合，采用共聚合法制备CNNS
g-C3N4纳米片的氧化：将所制备的g-C3N4纳米片在 550℃空气环境下氧化。
因此我们将着重介绍研究较多的石墨相氮化碳
石墨相氮化碳（g-C3N4）的特点
石墨相氮化碳（g-C3N4)
不含金属，成本低廉 可见光吸收 比表面积大 禁带宽度适中 结构稳定 二维纳米片结构
优越的光催化剂
光催化的介绍
光催化技术作为一种高效、安全的环境友好 型环境净化技术，对室内空气质量的改善已 得到国际学术界的认可。 1967年藤岛昭教授在一次试验中发现光催化 反应，光催化技术是一种在能源和环境领域 有着重要应用前景的绿色技术，在光的照射 下可将有机污物彻底降解为二氧化碳与水， 同时光催化材料自身无损耗，被环保界认为 是21世纪环境净化领域的革命性突破，被誉 为"当今世界最理想的环境净化技术"。 优点:操作简单、能耗低、无二次污染、效率 高等
信息来源：Shalom M, Inal S, Fettkenhauer C, et al. Journal of the American Chemical Society [J], 2013, 135 （19）： 7118-7121.
超分子自组装法制备氮化碳聚合物
a、三聚氰胺-三聚氰酸组装体的SEM图；b、三聚氰酸-三聚氰胺 组装体在550 ℃ 氮气气氛中焙烧12 h 后的SEM 照片
Shalom 等详细研究了溶剂和热聚合温度等因素对三聚氰胺-三聚氰酸超 分子和氮化碳的形貌织构的作用。
当采用水和氯仿作为溶剂时, 分别得到的是棒状形貌和针状结构，而当采 用乙醇作为溶剂时, 得到的是规则的薄饼状三聚氰胺-三聚氰酸超分子。 在焙烧后, 原先的薄饼状形貌转变成了空心形貌。延长焙烧时间能够使空 心纳米结构生长得更均匀完整。
1996年，Teter和Hemley通过计算认为C3N4可能具有5种 结构，即α相，β相，立方相、准立方相以及类石墨相。除了类 石墨相外，其他4种结构物质的硬度都可以与金刚石相比拟。
背景及简介
1993年7月，美国哈佛大学传出轰动性的科技新闻:利用激光溅射技术研制 成功氮化碳薄膜。分析表明，新材料具有β-C3N4结构，而具有这种结构的 晶体硬度将超过目前世界上最硬的金刚石晶体，成为首屈一指的超硬新材 料。
合成研究
在理论的预言下，人们采用各种手段试图在实验室合成出这种新的低密度 高硬度的非极性共价键化合物，常用的制备方法有震荡波压缩、高压热解、离 子注入、反应溅射、等离子体化学气相沉积、电化学沉积、离子束沉积、低能 离子辐射、脉冲电弧放电和脉冲激光诱导等，但这种超硬材料的合成结果并不 理想，主要表现在沉积物多为非晶CN薄膜，少数实验得到纳米级尺寸的C3N4 晶粒镶嵌于非晶薄膜中，很少得到大颗粒的晶体。另外，目前又没有天然存在 的标样，而且由于氮化碳几种相态的能量相近，在制备的薄膜中很难得到单一 相的氮化碳化合物，使得对这种材料的准确表征存在很多困难，如对IR光谱吸 收峰位置的确切解释，X射线衍射(XRD)或透射电镜(TEM)结果与预言值之间的 较大差别，Raman光谱仅表现为石墨或无定形碳膜的特征光谱等，这些困难使 得目前的氮化碳的合成研究进展缓慢。但一些研究结果表明非晶CN薄膜也具 有很高的硬度、耐磨性、储氢性能以及优异的场发射性能，值得人们深入研究。