[發明專利]一種石墨相氮化碳的制備方法

有效

• 申請號: 201610065411.8
• 申請日: 2016-01-29
• 公開（公告）號: CN105752953B
• 公開（公告）日: 2017-11-28
• 發明（設計）人: 王繼剛;余永志;張浩;周清;張安蕾;顧永攀
• 申請（專利權）人: 張家港市東大工業技術研究院;東南大學
• 主分類號: C01B21/082
• 分類號: C01B21/082
• 代理公司: 無錫中瑞知識產權代理有限公司32259
• 代理人: 孫高

技術領域

本發明涉及石墨相氮化碳的制備技術領域，具體涉及一種基于高能微波輻照加熱技術，快速獲取石墨相氮化碳的制備方法。

背景技術

尋找可替代的新型清潔能源解決當今世界的能源危機和環境污染，一直是科學界最重要的任務和使命之一。其中，半導體光催化劑能夠將無污染、無毒害和用之不竭的太陽能轉化為化學能，或直接降解有機污染物，在解決能源危機和環境污染等方面表現出巨大的潛力。石墨相氮化碳作為一種新型半導體光功能材料，由于其低密度、熱穩定性、合適的禁帶寬度，優良的耐酸耐堿特性、獨特的電子能帶結構、光學性能及優良的表面特性，被廣泛應用在光催化、傳感器、生物成像、催化劑載體和光電等領域，被認為是最具有發展潛力的材料之一。

目前，針對石墨相氮化碳的制備，已經研發出了各具技術特點的制備方法，主要有溶劑熱法、電化學沉積法、磁控濺射法、高溫高壓法、化學氣相沉積和熱縮聚法等。溶劑熱法溫度條件相對溫和，氮不易流失；且可以加入各種模板劑，控制產物的形貌，例如得到微孔、介孔和大孔材料。但溶劑熱法合成的石墨相氮化碳結晶性比較差，且反應過程中普遍要使用有毒的有機溶劑，對環境和操作人員都有害。電化學沉積法可用來制備氮化碳薄膜或者涂層，實現在不同復雜結構上均勻沉積；但制備的氮化碳薄膜為多晶或者非晶態，且不適合制備石墨相氮化碳的粉體。磁控濺射法也是快速制備氮化碳薄膜的新興技術之一，但對靶材和反應氣體的純度要求高，且制備的薄膜是以α或β相氮化碳為主的多晶態共存。高溫高壓法是合成超硬氮化碳等亞穩材料的基本方法之一，但目前合成的氮化碳含氮量比較低，產物以金剛石納米晶為主；而石墨相氮化碳作為最穩定的氮化碳存在形式，是一種軟質相，因此高溫高壓法并不適宜于制備石墨相氮化碳。化學氣相沉積法是通過在反應體系中引入高活性的N、C原子或離子，接著在基片上沉積得到氮化碳薄膜，能夠很好的控制合成厚度均勻的薄膜；但該方法得到的薄膜大多是非晶態的，且反應物使用率低。熱縮聚法是利用熱解富氮有機物，通過前驅體自身的縮聚過程制備石墨相氮化碳，反應過程直接、簡便、成本低和對環境無污染；但常規熱解富氮有機物得到的石墨相氮化碳的比表面積小，結晶性差，反應時間長和光催化性能低。

上述幾種方法普遍存在周期長，工藝復雜，成本高，環境不夠友好，以及產物結晶性能差等缺陷，在一定程度上限制了石墨相氮化碳的快速獲取和實際應用，因此開發一種快速、高效、環保，和低成本工業化的制備方法，快速獲取石墨相氮化碳的工藝尤為重要。

微波技術是制備粉體功能材料或化合物的新技術。相對于溶劑熱法，電化學沉積法、化學氣相沉積法和常規熱縮聚法，基于微波輻照合成粉體的方法，具有速度快、效率高、低碳環保，易于工業化和大量生產等一系列優勢。三聚氰胺、二聚氰胺、單氰胺、硫脲和尿素等富氮有機物在微波輻照的電磁加熱條件下，可分解得到含碳氮鍵的化合物基團或結構片段。這些高活性的中間體通過后續的成核及堆積生長，將可得到具有石墨堆積結構的石墨相氮化碳。

目前，已經有人利用微波法制備出氮化碳材料，但由于受到微波設備、知識體系和應用領域的限制，人們對高能微波技術的應用還不夠普遍。常見的微波加熱設備是家用微波爐，功率普遍偏低(300-1000W)，在制備效率、效果等方面都不夠理想。安徽大學袁玉鵬等人(袁玉鵬，裘靈光，徐更生，彭夫敏，徐文濤，馬琳，微波加熱快速制備類石墨結構氮化碳材料，申請號：201310404491.1.公開號：CN104415786A)利用微波法制備了石墨相氮化碳(微波功率最高為1000W)，但微波吸收劑和原料的分開放置使得熱效率顯著降低，難以發揮微波輻照體相快速加熱的優勢，嚴重影響了制備效率；且必須利用昂貴的各種金屬氧化物作為微波吸收劑，導致成本提高。

發明內容

本發明要解決的問題是：提供一種簡單、方便、快速的制備石墨相氮化碳的方法；且得到的石墨相氮化碳有較好的結晶性和純度，能夠被用于降解有機物，光解制氫、催化劑載體和生物醫學傳感器等。

為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是：一種石墨相氮化碳的制備方法，其制備步驟包括：

1)原料混合：以富氮有機物為前驅體，以石墨或碳化硅為微波吸收劑，混合均勻后放入陶瓷坩堝中；

所述的富氮有機物為三聚氰胺、二聚氰胺、單氰胺、硫脲和尿素中的一種；

2)微波輻照加熱：把步驟1)中的陶瓷坩堝放入微波諧振腔內中心位置，抽真空至微波諧振腔內壓力為5-35kPa、微波輻照的功率為2-10kW，利用微波輻照將原料加熱至450-700℃后，保溫反應5-30min，得到石墨相氮化碳；