[發明專利]一種蓬松的高催化活性的氮化碳納米催化材料的制備方法

無效

• 申請號: 201310348730.6
• 申請日: 2013-08-12
• 公開（公告）號: CN104368383A
• 公開（公告）日: 2015-02-25
• 發明（設計）人: 李雪飛;楊景海;李明;胡廷靜;李秀艷
• 申請（專利權）人: 吉林師范大學
• 主分類號: B01J31/02
• 分類號: B01J31/02;B01J35/02;C02F1/30
• 代理公司: 吉林省長春市新時代專利商標代理有限公司 22204
• 代理人: 石岱

技術領域

本發明屬于納米材料制備的技術領域，特別涉及了一種高催化活性的氮化碳納米催化材料的制備方法，該方法主要通過對溫度梯度的控制，成功的制備出蓬松的高催化活性的石墨相氮化碳。

背景技術

自從1989年Liu和M.L.Cohen在理論上預言，β-C₃N₄可能是一種比金剛石還要硬的新型超硬材料^[1,2]。1996年Tete等則采用第一性原理贗勢計算方法計算出了氮化碳的理論結構，認為該化合物可能存在五種物相，即：α相、β相、立方相，類立方相和類石墨相^[3]。類石墨相氮化碳因具有類似石墨的層狀結構而得名，因此也叫做石墨相氮化碳，是這五種物相中最穩定的晶相。于是人們開始了對這種新型碳氮材料的研究熱潮。國內外上千個實驗室都被吸引到此項研究中，他們利用已知的各種可實現的實驗方法來合成這種材料。2009年Wang等人首次報道，成功的熱解單氰胺制備出石墨相C₃N₄并在可見光下(λ>420nm)分解水制氫^[4]。此后，有關氮化碳光催化的研究相繼拉開了序幕。

石墨相氮化碳的制備方法主要有兩種：溶劑熱合成法和高溫聚合法。溶劑熱合成法是指在密閉的容器中，溶劑作為反應介質，在高溫和高壓(溶劑變成蒸汽時所產生的壓力)的條件下制備納米材料的一種非均相合成方法，是制備粉體的濕化學法之一。近年來，該合成方法已被廣泛應用，1999年，Montigaud等以三聚氰胺為原料，以NH₂NH₂為溶劑，在壓力為3GPa、溫度800℃-850℃之間的條件下合成出石墨相的氮化碳^[5]。Bai等人在沒有使用任何催化劑的前提下，采用NH₄C1和CCl₄在400℃溶劑熱反應中得到了石墨相氮化碳納米晶，XRD和TEM給出的平均晶粒尺寸約為11nm，并有少量的單晶產生^[6]。

高溫聚合法是制備氮化碳較為常用的一種方法。因為氰胺在高溫下可發生聚合反應，依次縮聚為雙氰胺，三聚氰胺，蜜勒胺，最后得到氮化碳產物。Wang等將單氰胺加熱至400℃-600℃之間，并保溫4h合成得到了石墨相的氮化碳。Zou等人則是利用一種更為廉價的原料三聚氰胺在常壓下分別加熱到500℃,520℃,550℃和580℃恒溫2h也得到石墨相氮化碳，并發現所制備的氮化碳有較好的性能在光降解亞甲基藍方面^[4]。Niu等人利用雙氰胺用兩步法燒結制備出了石墨相氮化碳的片層狀結構，并且得到比體相石墨相氮化碳具有更高的催化效率^[7]。Zou等人以更為廉價的尿素為原料TiO₂為催化劑利用，在空氣的條件下制備出了石墨相氮化碳^[8]。然而，普通燒結方法制備出的石墨相C₃N₄樣品具有較大的晶粒尺寸，微納米結構的C₃N₄較難制備，因此，這極大的限制了石墨相C₃N₄在催化領域、光電導領域和光波導等領域的應用。因而制備出可控的多種形貌并具有微納結構的石墨相C₃N₄成為這一材料研究的重點和難點。

近年來，國內外很多小組都展開了對新型石墨相碳氮材料的探索和研究，材料的制備是從基礎研究到實際應用的必由之路，是提高材料質量及降低成本的重要途徑。實現材料結構和性能設計及新材料的發現能否獲得實際應用，取決于制備工藝和成本。到目前為止，盡管有許多報導聲稱合成了這種新型相材料，卻主要還在實驗室探索階段。可以說，用簡單、低成本的方法大量合成高純度新型碳氮材料材料仍然是研究者面前的熱點和難題。

參考文獻：

[1]M.L.Cohen,Calculation?of?bulk?moduli?of?diamond?and?zinc-blende?solids,Phys.Rev.B1985,32,7988-7991

[2]A.Y.Liu,M.L.Cohen,Prediction?of?new?low?compressibility?solids,Science.1989,245,841-842

[3]D.M.Teter,R.J.Hemley,Low-compressibility?carbon?nitrid,Science.1996,271,53-55