CN104607231B - 具有三维有序大孔结构的氮化碳光催化剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了具有三维有序大孔结构的氮化碳光催化剂及其制备方法，氮化碳光催化剂具有排列规整的三维有序多孔形貌，大孔空腔为球形，直径为100nm～300nm；相邻的两个大孔球心的距离为110nm～350nm。本发明的氮化碳光催化剂的扫描电子显微镜图片显示其具有三维有序的大孔结构，大孔空腔为球形，直径为100nm～300nm；大孔结构具有较高的比表面积，有序的大孔的空腔内一方面可以负载其他材料，另一方面易于传质，反应中可以快速分离光生载流子。本发明的氮化碳光催化剂的结构显著提升了催化剂的光催化性能，在可见光下具有较高的光解水产氢性能，实现高效的太阳能光解水制氢气。
Description
技术领域
本发明属于光催化技术领域，具体涉及一种具有三维有序大孔结构的氮化碳光催化剂及其制备方法。
背景技术
半导体光催化是半导体催化剂在可见光或紫外光作用下产生电子-空穴对，吸附在半导体表面的O2、H2O及污染物分子接受光生电子或空穴，发生一系列的氧化还原反应的一种光化学方法。
氮化碳是一种有机聚合物半导体，因其有可以响应可见光特性，在水中比较稳定且无毒，而且比较容易制备等特征，引起了科研工作者的广泛关注。氮化碳在光催化、多相催化、燃料电池等领域具有潜在的应用前景，尤其是在可见光条件下催化分解水制备氢气上，氮化碳具有高效、无毒、稳定等独特的优势。
氮化碳材料表面的孔结构和比表面积的大小在其应用性能上起着十分重要的作用。目前，常见的制备氮化碳的方法有熔融法、软模版法、硬模版法等，并且通过各种技术得到了氮化碳的纳米片、纳米棒、纳米球、介孔氮化碳等纳米材料。
例如中国专利文献CN 103623856 A（申请号 201310663870.2）公开了一种多级纳米结构的球状介孔氮化碳光催化剂，所述的球状介孔氮化碳具有以纳米片或类似纳米片的小颗粒由球心向四周均匀地扩散形成表面结构高度敞开、纳米结构高度稳定的微纳结构。制备方法包括以下步骤：（1）合成表面结构高度敞开的球状介孔二氧化硅；（2）将球状介孔二氧化硅于高温煅烧除去有机物后，研磨，在加热搅拌下加入稀盐酸进行酸处理，离心，烘干，研磨；（3）在含抽滤头的烧瓶中，加入二氧化硅和氰胺，在真空条件下，超声和加热；加水离心除去过量氰胺，烘干；将固体粉末于723K～923K氮气炉中高温煅烧2～8h；用NH4HF2溶液刻蚀除去二氧化硅模板，水洗，烘干，即得球状介孔氮化碳。按照上述方法得到的球状介孔氮化碳表面具有介孔结构，比表面积较大，但是合成方法复杂，合成成本较高，并且介孔孔径较小，无法负载其他粒径较大的材料。
又例如中国专利文献CN 103721745 A（申请号 201410006468.1）公开了一种共聚合改性有序介孔氮化碳光催化剂，所述的共聚合改性有序介孔氮化碳具有圆柱棒状的微观形貌和二维六方P6mm有序排列的规则介孔孔道，光吸收带边在450nm～700nm。制备方法包括以下步骤：（1）合成二维六方P6mm SBA-15型有序介孔二氧化硅；（2）SBA-15型有序介孔二氧化硅经高温煅烧、研磨后，在加热条件下边搅拌边加入稀盐酸，离心，沉淀物经干燥，得酸化后的有序介孔二氧化硅；（3）氰胺、3-氨基噻吩-2-甲腈和酸化后的有序介孔二氧化硅混合，在加热条件下超声并抽真空；加水离心，干燥，于450℃～650℃氮气炉高温热聚合2～8小时；用氟化氢铵溶液除去二氧化硅模板，水洗，干燥，即得共聚合改性的有序介孔氮化碳。同样的，该专利文献所公开的共聚合改性的有序介孔氮化碳合成方法复杂，成本较高，介孔孔道大小难以调节，无法负载其他粒径较大的材料。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种具有三维有序大孔结构的氮化碳光催化剂及其制备方法。
实现本发明第一目的的技术方案是一种具有三维有序大孔结构的氮化碳光催化剂，具有排列规整的三维有序多孔形貌，大孔空腔为球形，直径为100nm～300nm；相邻的两个大孔球心的距离为110nm～350nm。
实现本发明第二目的的技术方案是一种具有三维有序大孔结构的氮化碳光催化剂的制备方法，包括以下步骤：
①制备三维有序的二氧化硅球阵列模板；将乙醇、水、氨水混合搅拌均匀得到混合溶液；向混合溶液中加入正硅酸四乙酯，搅拌3～4小时后，将反应后得到的物料离心，去除离心母液，离心得到的沉淀用乙醇洗涤，烘干得到二氧化硅球；乙醇、水、氨水、正硅酸四乙酯的质量之比为50∶（5～18）∶（2～6）∶（3～8）。
将上述得到的二氧化硅球超声分散在乙醇中，在超声分散后得到的悬浊液表面覆盖薄膜，静置，待悬浊液挥发至干，得到的白色固体为三维有序排列的二氧化硅球阵列模板。
②具有三维有序大孔结构的氮化碳光催化剂的制备；向步骤①获得的白色固体中加入氰胺得到固液混合物，然后将固液混合物送入真空干燥箱中，将真空干燥箱中抽真空，将箱内温度升温至55℃～70℃，静置2～4小时后取出，冷却后得到白色固体，为中间体A；其中步骤①获得的白色固体与氰胺的质量之比为1∶1～3。
将得到的中间体A放入管式炉中，在氮气保护下，在520℃～550℃下保持2～4小时，冷却后得到黄色粉末，为中间体B。
将中间体B转移入HF溶液中，搅拌4～8小时后离心，离心分离得到的沉淀用水洗涤，烘干后即得具有三维有序大孔结构的氮化碳光催化剂。
作为优选的，上述步骤①中乙醇、水、氨水、正硅酸四乙酯的质量之比为50∶（5～15）∶（2～5）∶（3～6）。
作为进一步优选的，上述步骤①中乙醇、水、氨水、正硅酸四乙酯的质量之比为50∶（5～10）∶（2～4）∶（3～6）。
上述步骤①中超声分散后得到的悬浊液中二氧化硅球的浓度为25～50g/L
实现本发明第二目的的第二种技术方案是一种具有三维有序大孔结构的氮化碳光催化剂的制备方法，包括以下步骤：
①制备三维有序的二氧化硅球阵列模板；将乙醇、水、氨水混合搅拌均匀得到混合溶液；向混合溶液中加入正硅酸四乙酯，搅拌3～4小时后，将反应后得到的物料离心，去除离心母液，离心得到的沉淀用乙醇洗涤，烘干得到二氧化硅球；乙醇、水、氨水、正硅酸四乙酯的质量之比为50∶（5～18）∶（2～6）∶（3～8）。
将上述得到的二氧化硅球超声分散在乙醇中，将超声分散后得到的悬浊液以8000r/min～10000r/min的速度高速离心，弃掉乙醇后烘干得到三维有序的二氧化硅球阵列模板。
②具有三维有序大孔结构的氮化碳光催化剂的制备；向步骤①获得的白色固体中加入氰胺得到固液混合物，然后将固液混合物送入真空干燥箱中，将真空干燥箱中抽真空，将箱内温度升温至55℃～70℃，静置2～4小时后取出，冷却后得到白色固体，为中间体A；其中步骤①获得的白色固体与氰胺的质量之比为1∶1～3。
将得到的中间体A放入管式炉中，在氮气保护下，在520～550℃下保持2～4小时，冷却后得到黄色粉末，为中间体B。
将中间体B转移入HF溶液中，搅拌4～8小时后离心，离心分离得到的沉淀用水洗涤，烘干后即得具有三维有序大孔结构的氮化碳光催化剂。
作为优选的，上述步骤①中乙醇、水、氨水、正硅酸四乙酯的质量之比为50∶（5～15）∶（2～5）∶（3～6）。
作为进一步优选的，上述步骤①中乙醇、水、氨水、正硅酸四乙酯的质量之比为50∶（5～10）∶（2～4）∶（3～6）。
上述步骤①中超声分散后得到的悬浊液中二氧化硅球的浓度为80～120g/L。
本发明具有积极的效果：（1）本发明的氮化碳光催化剂的扫描电子显微镜图片显示其微观形貌具有三维有序的大孔结构，大孔空腔为球形，直径为100nm～300nm；大孔结构具有较高的比表面积，有序的大孔的空腔内一方面可以负载其他材料，另一方面易于传质，反应中可以快速分离光生载流子。本发明的氮化碳光催化剂的结构显著提升了催化剂的光催化性能，在可见光下具有较高的光解水产氢性能，实现高效的太阳能光解水制氢气。
（2）本发明的氮化碳光催化剂的制备方法首先制备出三维有序排列的二氧化硅球，然后以二氧化硅球的三维有序阵列作为模版，以氰胺为前驱物，在保护性气体中高温聚合，最后用氢氟酸除去二氧化硅后制得具有三维有序大孔结构的氮化碳光催化剂。
（3）本发明的氮化碳光催化剂的大孔孔径的大小在制备过程中通过控制二氧化硅球的大小可以很方便的进行调节，使得氮化碳光催化剂适合负载不同大小的其他材料。当需要负载的其他材料的体积较大时，制备氮化碳光催化剂时首先制备出较大粒径的二氧化硅球，最后用氢氟酸除去二氧化硅球后，制得的催化剂即具有较大孔径的大孔，符合应用要求。
（4）本发明的催化剂的制备合成工艺简单，稳定性高，使用的原料价廉。制得的氮化碳光催化剂不含金属，无毒，可以循环使用，具有很好的实用价值，在光催化领域有很好的应用前景。
附图说明
图1为实施例1制备的氮化碳光催化剂的5000倍扫描电子显微镜图片；
图2为实施例1制备的氮化碳光催化剂的20000倍扫描电子显微镜图片；
图3为实施例1制备的氮化碳光催化剂的X射线衍射图，图中纵坐标intensity-强度，图中横坐标degree-度。
图4 为实施例1制备的氮化碳光催化剂与普通氮化碳催化剂的光催化分解水产氢的性能比较图，纵坐标为产氢速率。
具体实施方式
（实施例1）
本实施例的具有三维有序大孔结构的氮化碳光催化剂是一种有机聚合物半导体光催化剂，化学式为C3N4，制备方法包括以下步骤：
①制备三维有序的二氧化硅球阵列模板。
将60g乙醇、12g水，4g氨水（28wt%）混合搅拌均匀得到混合溶液；向混合溶液中加入6mL正硅酸四乙酯（CAS NO. 78-10-4），搅拌3小时后，将反应后得到的物料离心，去除离心母液，离心得到的沉淀用乙醇洗涤，然后80℃下烘干得到二氧化硅球。
将上述得到的二氧化硅球超声分散在80mL乙醇中，在超声分散后得到的悬浊液表面覆盖薄膜，静置，待悬浊液缓慢挥发至干，得到的白色固体为三维有序排列的二氧化硅球阵列模板；其中悬浊液中二氧化硅球的浓度为25～50g/L。
②具有三维有序大孔结构的氮化碳光催化剂的制备。
向步骤①获得的白色固体中加入2g氰胺得到固液混合物，然后将固液混合物送入真空干燥箱中，将真空干燥箱中抽真空，将箱内温度升温至60℃，静置4小时后取出，冷却后得到白色固体，为中间体A；中间体A中氰胺充分浸入三维有序排列的二氧化硅球阵列模版。
将得到的中间体A放入管式炉中，在氮气保护下，以4℃/min的速度升温至550℃，保持4小时，冷却后得到黄色粉末，为中间体B。
将中间体B转移入10mL的HF溶液（16wt%）中，搅拌8h后离心，离心分离得到的沉淀用水洗涤3次，烘干后即获得具有三维有序大孔结构的粉末状的氮化碳光催化剂。
本实施例制备的具有三维有序大孔结构的氮化碳光催化剂外观为淡黄色粉末。
产物组成表征在D8-XRD型（德国BRUKER公司生产）X射线衍射仪上完成，Cu靶Kα辐射（λ=0.154056nm），扫描速度1.0°/min，广角衍射测量范围0～80°。
形貌和粒度的观测在S-3400NII型（日本Hitachi公司生产）扫描电子显微镜（SEM）下进行。
见图1和图2，扫描电子显微镜图片显示，本实施例制得的氮化碳光催化剂具有大面积排列规整的三维有序多孔形貌，大孔空腔为球形，直径为250nm～280nm。相邻的大孔球心的距离为260nm～300nm。
见图3，本实施例制备的氮化碳光催化剂的XRD衍射图证实本实施例制备得到的是石墨相的氮化碳。
为了检验本实施例制备的具有三维有序大孔结构的氮化碳光催化剂光催化分解水产氢的性能，对其进行光催化降解水的试验：将所制得的氮化碳光催化剂加入100mL水中，氮化碳光催化剂的浓度为1*10-3g/mL；在可见光照射下，光解水制氢；用在线气相色谱技术对产氢量进行定量分析。
作为对比试验，向100mL水中加入普通的体相氮化碳相比，体相氮化碳光催化剂的浓度为1*10-3g/mL；在可见光照射下，光解水制氢；用在线气相色谱技术对产氢量进行定量分析。
结果如图4所示：本实施例制得的具有三维有序大孔结构的氮化碳光催化剂（图4中称为三维有序大孔氮化碳）产氢速率为142μmol/h，普通的体相氮化碳产氢速率为7.8μmol/h，本实施例制得的具有三维有序大孔结构的氮化碳光催化剂的产氢性能远高于普通体相氮化碳，是其产氢速率的18倍。
（实施例2）
本实施例的具有三维有序大孔结构的氮化碳光催化剂的制备方法其余与实施例相同，不同之处在于：
步骤①制备三维有序的二氧化硅球阵列模板时，将50g乙醇、10g水，3g氨水（28wt%%）混合搅拌均匀得到混合溶液，向得到的混合溶液中加入5mL正硅酸四乙酯，搅拌4小时后，将反应后得到的物料离心，去除离心母液，离心得到的沉淀用乙醇洗涤，然后80℃下烘干得到二氧化硅球。
将得到的二氧化硅球超声分散在8mL乙醇中，得到的悬浊液以10000r/min的速度高速离心，弃掉乙醇后烘干得到三维有序的二氧化硅球阵列模板；悬浊液中二氧化硅球的浓度为80～120g/L。
步骤②向步骤①获得的白色固体中加入2.5g氰胺得到固液混合物，然后将固液混合物送入真空干燥箱中，将真空干燥箱中抽真空，将箱内温度升温至70℃，静置4小时后取出。
得到的中间体B转移入8mL的HF溶液（16wt%）中，搅拌7h后离心，离心分离得到的沉淀用水洗涤3次，烘干后即得具有三维有序大孔结构的氮化碳光催化剂。
本实施例制得的氮化碳光催化剂具有大面积排列规整的三维有序多孔形貌，大孔空腔为球形，直径为200nm～250nm。相邻的两个大孔球心的距离为210nm～260nm。
按照实施例1的方法，本实施例制得的具有三维有序大孔结构的氮化碳光催化剂产氢速率为157μmol/h。
（实施例3）
本实施例的具有三维有序大孔结构的氮化碳光催化剂的制备方法其余与实施例相同，不同之处在于：
步骤①制备三维有序的二氧化硅球阵列模板时，将50g乙醇、15 g水，5g氨水（28wt%%）混合搅拌均匀得到混合溶液，向得到的混合溶液中加入5mL正硅酸四乙酯。
本实施例制得的氮化碳光催化剂具有大面积排列规整的三维有序多孔形貌，大孔空腔为球形，直径为120nm～150nm。相邻的两个大孔球心的距离为130nm～160nm。
按照实施例1的方法，本实施例制得的具有三维有序大孔结构的氮化碳光催化剂产氢速率为160μmol/h。
本发明的氮化碳光催化剂的扫描电子显微镜图片显示其具有三维有序的大孔结构，大孔空腔为球形，直径为100nm～300nm；大孔结构具有较高的比表面积，有序的大孔的空腔内一方面可以负载其他材料，另一方面易于传质，反应中可以快速分离光生载流子。本发明的氮化碳光催化剂的结构显著提升了催化剂的光催化性能，在可见光下具有较高的光解水产氢性能，实现高效的太阳能光解水制氢气。
Claims (8)
1.一种具有三维有序大孔结构的氮化碳光催化剂的制备方法，其特征在于制备方法包括以下步骤：
①制备三维有序的二氧化硅球阵列模板；将乙醇、水、氨水混合搅拌均匀得到混合溶液；向混合溶液中加入正硅酸四乙酯，搅拌3～4小时后，将反应后得到的物料离心，去除离心母液，离心得到的沉淀用乙醇洗涤，烘干得到二氧化硅球；乙醇、水、氨水、正硅酸四乙酯的质量之比为50∶（5～18）∶（2～6）∶（3～8）；
将上述得到的二氧化硅球超声分散在乙醇中，在超声分散后得到的悬浊液表面覆盖薄膜，静置，待悬浊液缓慢挥发至干，得到的白色固体为三维有序排列的二氧化硅球阵列模板；
②具有三维有序大孔结构的氮化碳光催化剂的制备；向步骤①获得的白色固体中加入氰胺得到固液混合物，然后将固液混合物送入真空干燥箱中，将真空干燥箱中抽真空，将箱内温度升温至55℃～70℃，静置2～4小时后取出，冷却后得到白色固体，为中间体A；其中步骤①获得的白色固体与氰胺的质量之比为1∶1～3；
将得到的中间体A放入管式炉中，在氮气保护下，在520℃～550℃下保持2～4小时，冷却后得到黄色粉末，为中间体B；
将中间体B转移入HF溶液中，搅拌4～8小时后离心，离心分离得到的沉淀用水洗涤，烘干后即得具有三维有序大孔结构的氮化碳光催化剂。
2.根据权利要求1所述的具有三维有序大孔结构的氮化碳光催化剂的制备方法，其特征在于：步骤①中乙醇、水、氨水、正硅酸四乙酯的质量之比为50∶（5～15）∶（2～5）∶（3～6）。
3.根据权利要求2所述的具有三维有序大孔结构的氮化碳光催化剂的制备方法，其特征在于：步骤①中乙醇、水、氨水、正硅酸四乙酯的质量之比为50∶（5～10）∶（2～4）∶（3～6）。
4.根据权利要求1所述的具有三维有序大孔结构的氮化碳光催化剂的制备方法，其特征在于：步骤①中超声分散后得到的悬浊液中二氧化硅球的浓度为25～50g/L。
5.一种具有三维有序大孔结构的氮化碳光催化剂的制备方法，其特征在于制备方法包括以下步骤：
①制备三维有序的二氧化硅球阵列模板；将乙醇、水、氨水混合搅拌均匀得到混合溶液；向混合溶液中加入正硅酸四乙酯，搅拌3～4小时后，将反应后得到的物料离心，去除离心母液，离心得到的沉淀用乙醇洗涤，烘干得到二氧化硅球；乙醇、水、氨水、正硅酸四乙酯的质量之比为50∶（5～18）∶（2～6）∶（3～8）；
将上述得到的二氧化硅球超声分散在乙醇中，将超声分散后得到的悬浊液以8000r/min～10000r/min的速度高速离心，弃掉乙醇后烘干得到三维有序的二氧化硅球阵列模板；
②具有三维有序大孔结构的氮化碳光催化剂的制备；向步骤①获得的白色固体中加入氰胺得到固液混合物，然后将固液混合物送入真空干燥箱中，将真空干燥箱中抽真空，将箱内温度升温至55℃～70℃，静置2～4小时后取出，冷却后得到白色固体，为中间体A；其中步骤①获得的白色固体与氰胺的质量之比为1∶1～3；
将得到的中间体A放入管式炉中，在氮气保护下，在520～550℃下保持2～4小时，冷却后得到黄色粉末，为中间体B；
将中间体B转移入HF溶液中，搅拌4～8小时后离心，离心分离得到的沉淀用水洗涤，烘干后即得具有三维有序大孔结构的氮化碳光催化剂。
6.根据权利要求5所述的具有三维有序大孔结构的氮化碳光催化剂的制备方法，其特征在于：步骤①中乙醇、水、氨水、正硅酸四乙酯的质量之比为50∶（5～15）∶（2～5）∶（3～6）。
7.根据权利要求6所述的具有三维有序大孔结构的氮化碳光催化剂的制备方法，其特征在于：步骤①中乙醇、水、氨水、正硅酸四乙酯的质量之比为50∶（5～10）∶（2～4）∶（3～6）。
8.根据权利要求5所述的具有三维有序大孔结构的氮化碳光催化剂的制备方法，其特征在于：步骤①中超声分散后得到的悬浊液中二氧化硅球的浓度为80～120g/L。
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