專利名稱：一種類石墨烯C₃N₄材料及其制備方法和用途的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于環(huán)保新材料的制備技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種類石墨烯C3N4材料及其制備方法和用途。
背景技術(shù)：
近些年來，能源短缺和環(huán)境污染問題日益突出，環(huán)境光催化技術(shù)被認為是一種低成本、環(huán)境友好的綠色能源和環(huán)境治理技術(shù)，被廣泛關(guān)注；目前高性能、寬響應(yīng)光催化材料的設(shè)計和開發(fā)成為光催 化技術(shù)發(fā)展的方向。非金屬有機聚合物石墨型g-C3N4作為一種光催化材料引起了研究者的關(guān)注,在太陽能轉(zhuǎn)換、光解水制氫和環(huán)境有機污染物處理領(lǐng)域廣泛研究；但g_C3N4材料存在光生電子和空穴對復(fù)合率較高、量子效率低、比表面積小等缺點；將層狀石墨型g_C3N4剝離成單層或少層氮化碳材料，使其具有高比表面積、優(yōu)異的電子傳導(dǎo)性能，能夠達到高效、快速、廣譜光催化降解環(huán)境有機污染物的目的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有類石墨烯結(jié)構(gòu)、高效降解環(huán)境有機污染物、有效檢測環(huán)境中Cr3+的類石墨烯C3N4材料的制備方法；本發(fā)明通過熱處理、水熱反應(yīng)合成具有單層或少層結(jié)構(gòu)的類石墨烯C3N4材料，使其能夠有效光催化降解有機污染物，并能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)境中Cr3+重金屬離子有效檢測。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是以簡單、易得的二氰二胺為原料，先通過熱處理法合成石墨型g_C3N4，再將石墨型g_C3N4進行胺化處理，最后再對胺化氮化碳進行煅燒熱處理，得到類石墨烯C3N4材料。一種類石墨烯C3N4材料，其特征在于采用如下方法制備:
(1)將二氰二胺進行煅燒處理，通過程序升溫，在N2氣氛下于450-650°C反應(yīng)6_8h，合成石墨型g_C3N4材料；
(2)將合成的石墨型g_C3N4材料與NH4Cl混合于水中，m(石墨型g_C3N4):m(NH4Cl):V (水)為1:6-6:1:20，超聲分散，放置到水熱反應(yīng)釜中，反應(yīng)溫度140-200°C，反應(yīng)時間為24-36 h ;反應(yīng)結(jié)束后冷卻至室溫，離心分離、水洗多次后真空干燥，得到胺化氮化碳材料；
(3)將胺化氮化碳材料放置管式爐中，在N2或O2氣氛下，反應(yīng)溫度在300-450°C，反應(yīng)時間為4-6 h，冷卻至室溫后，得到類石墨烯C3N4材料。本發(fā)明的另一目的是提供一種類石墨烯C3N4材料的用途，其特征在于:所述的類石墨烯C3N4材料具有30-100 m2/g的比表面積，為2-3 nm厚的薄層材料，在水中、乙醇中能夠均勻分散；所述的類石墨烯C3N4材料在可見光激發(fā)下對有機染料亞甲基藍具有較高的降解性能，同時能夠應(yīng)用于水環(huán)境中Cr3+離子的檢測,檢測限為1-6 Mmol/L ;對于10 mg/L的亞甲基藍溶液；該在可見光下照射3.5h對亞甲基藍的降解率達到90-98%。


圖1為本發(fā)明的類石墨烯C3N4材料XRD 圖2為透射電子顯微鏡觀察到的類石墨烯C3N4材料；
圖3為本發(fā)明的類石墨烯C3N4材料AFM 圖4為本發(fā)明的類石墨烯C3N4材料的光催化活性 圖5本發(fā)明的類石墨烯C3N4材料在環(huán)境重金屬Cr3+檢測中的應(yīng)用。
具體實施例方式為了進一步說明本發(fā)明，結(jié)合實例對本發(fā)明進行詳細描述，但本發(fā)明的保護范圍并不僅限與此:
實例1
將3 g 二氰二胺放入到管式爐中進行煅燒處理，通過程序升溫，于600°C反應(yīng)6 h，合成石墨型g_C3N4材料；將0.2 g合成的石墨型g_C3N4材料、0.3 g NH4Cl與20 ml水溶液混合，超聲分散，放置到30 ml水熱反應(yīng)釜中，反應(yīng)溫度180°C，為反應(yīng)時間為24 h，反應(yīng)結(jié)束后冷卻至室溫，離心分離、水洗多次后真空干燥，得到胺化氮化碳材料；再將胺化氮化碳材料放置管式爐中，在N2氣氛下，反應(yīng)溫度在350°C，反應(yīng)時間為4 h，冷卻至室溫后，得到白色類石墨烯C3N4材料。利用XRD、SEM、IR、TG、TEM、XPS等表征方法確定其結(jié)構(gòu)和組成；類石墨烯C3N4材料的XRD、TEM和AFM圖如圖1、2、3所示；圖1、2、3中可以發(fā)現(xiàn)，制備得到的材料的厚度為2.8 nm，層數(shù)在10層以下；XRD分析表明合成的材料在27.8°處有明顯衍射峰；TEM分析發(fā)現(xiàn)合成的材料具有薄層狀特征，表明合成的材料為類石墨烯仏隊。圖4為類石墨烯C3N4材料降解亞甲基藍活性實驗圖。圖中可以發(fā)現(xiàn)，對于10 mg/L的亞甲基藍，在可見光下照射3.5 h對亞甲基藍的降解率達到95%，同時，該材料可應(yīng)用于環(huán)境中Cr3+離子的分析檢測，檢測限為4 Mmol/L，如圖5所示。實例2
將3 g 二氰二胺放入到管式爐中進行煅燒處理，通過程序升溫，于550°C反應(yīng)8 h，合成石墨型g_C3N4材料；將0.1 g合成的石墨型g_C3N4材料、0.3 g NH4Cl與20 ml水溶液混合，超聲分散，放置到30 ml水熱反應(yīng)釜中，反應(yīng)溫度200°C，為反應(yīng)時間為24 h ;反應(yīng)結(jié)束后冷卻至室溫，離心分離、水洗多次后真空干燥，得到胺化氮化碳材料；再將胺化氮化碳材料放置管式爐中，在N2氣氛下，反應(yīng)溫度在400°C，反應(yīng)時間為4 h，冷卻至室溫后，得到白色類石墨烯C3N4材料。
利用XRD、SEM、IR、TG、TEM、XPS等表征方法確定其結(jié)構(gòu)和組成，AFM分析發(fā)現(xiàn)制備得到的材料的厚度為2.6 nm，層數(shù)在10層以下；XRD分析表明合成的材料在27.8°處有明顯衍射峰；TEM分析發(fā)現(xiàn)合成的材料具有薄層狀特征，表明合成的材料為類石墨烯C3N4。類石墨烯C3N4材料降解亞甲基藍活性和應(yīng)用于Cr3+檢測實驗可以發(fā)現(xiàn)，對于10mg/L的亞甲基藍，在可見光下照射3.5 h對亞甲基藍的降解率達到90%。同時，該材料可應(yīng)用于環(huán)境中Cr3+離子的分析檢測，檢測限為4 Mmol/L。實例3
將3 g 二氰二胺放入到管式爐中進行煅燒處理，通過程序升溫，于650°C反應(yīng)8 h，合成石墨型g_C3N4材料；將0.6 g合成的石墨型g_C3N4材料、0.5 g NH4Cl與20 ml水溶液混合，超聲分散，放置到30 ml水熱反應(yīng)釜中，反應(yīng)溫度200°C，為反應(yīng)時間為24 h，反應(yīng)結(jié)束后冷卻至室溫，離心分離、水洗多次后真空干燥，得到胺化氮化碳材料；再將胺化氮化碳材料放置管式爐中，在O2氣氛下，反應(yīng)溫度在450°C，反應(yīng)時間為4 h，冷卻至室溫后，得到白色類石墨烯C3N4材料。利用XRD、SEM、IR、TG、TEM、XPS等表征方法確定其結(jié)構(gòu)和組成，AFM分析發(fā)現(xiàn)制備得到的材料的厚度為2.5 nm，層數(shù)在10層以下；XRD分析表明合成的材料在27.8。處有明顯衍射峰；TEM分析發(fā)現(xiàn)合成的材料具有薄層狀特征，表明合成的材料為類石墨烯C3N4。類石墨烯C3N4材料降解亞甲基藍活性和應(yīng)用于Cr3+檢測實驗可以發(fā)現(xiàn)，對于10mg/L的亞甲基藍，在可見光下照射3.5 h對亞甲基藍的降解率達到98% ;同時，該材料可應(yīng)用于環(huán)境中Cr3+離子的分析檢測，檢測限為3 Mmol/L。實例4
將3 g 二氰二胺放入到管式爐中進行煅燒處理，通過程序升溫，于550°C反應(yīng)8 h，合成石墨型g_C3N4材料；將0.2 g合成的石墨型g_C3N4材料、0.4 g NH4Cl與20 ml水溶液混合，超聲分散，放置到30 ml水熱反應(yīng)釜中，反應(yīng)溫度160°C，為反應(yīng)時間為24 h ;反應(yīng)結(jié)束后冷卻至室溫，離心分離、水洗多次后真空干燥，得到胺化氮化碳材料；再將胺化氮化碳材料放置管式爐中，在N2氣氛下，反應(yīng)溫度在350°C，反應(yīng)時間為6 h，冷卻至室溫后，得到白色類石墨烯C3N4材料。利用XRD、SEM、IR、TG、TEM、XPS等表征方法確定其結(jié)構(gòu)和組成；AFM分析發(fā)現(xiàn)制備得到的材料的厚度為2.8 nm，層數(shù)在10層以下；XRD分析表明合成的材料在27.8°處有明顯衍射峰；TEM分析發(fā)現(xiàn)合成的材料具有薄層狀特征，表明合成的材料為類石墨烯C3N4。類石墨烯C3N4材料降解亞甲基藍活性和應(yīng)用于Cr3+檢測實驗可以發(fā)現(xiàn)，對于10mg/L的亞甲基藍,在可見光下照射3.5 h對亞甲基藍的降解率達到96%。同時,該材料可應(yīng)用于環(huán)境中Cr3+離子的分析檢測， 檢測限為2 Mmol/L。
權(quán)利要求
1.一種類石墨烯C3N4材料，其特征在于采用如下方法制備: (1)將石墨型g-C3N4材料與NH4Cl混合于水中，m(石墨型g_C3N4):m(NH4Cl):V (水)為1:6-6:1:20，超聲分散，放置到水熱反應(yīng)釜中，反應(yīng)溫度140-200°C，反應(yīng)時間為24-36 h ；反應(yīng)結(jié)束后冷卻至室溫，離心分離、水洗多次后真空干燥，得到胺化氮化碳材料； (2)將胺化氮化碳材料放置管式爐中，在N2或O2氣氛下，反應(yīng)溫度在300-450°C，反應(yīng)時間為4-6 h，冷卻至室溫后，得到類石墨烯C3N4材料。
2.如權(quán)利要求1所述的一種類石墨烯C3N4材料，其特征在于:所述石墨型g_C3N4材料合成方法為:將二氰二胺進行煅燒處理，通過程序升溫，在N2氣氛下于450-650°C反應(yīng)6-8h,合成石墨型g_C3N4材料。
3.如權(quán)利要求1所述的一種類石墨烯C3N4材料的用途，所述的類石墨烯C3N4材料具有30-100 m2/g的比表面積，為2-3 nm厚的薄層材料，在水中、乙醇中能夠均勻分散，其特征在于:所述的類石墨烯C3N4材料在可見光激發(fā)下對有機染料亞甲基藍具有較高的降解性能，同時能夠應(yīng)用于水環(huán)境中Cr3+離子的檢測,檢測限為1-6 Mmol/L ;對于10 mg/L的亞甲基藍溶液；該在可見 光下照射3.5h對亞甲基藍的降解率達到90-98%。
全文摘要
本發(fā)明屬于環(huán)保新材料的制備技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種類石墨烯C3N4材料及其制備方法和用途。制備步驟如下利用二氰二胺在N2氣氛下合成多層石墨型C3N4(g-C3N4)，將g-C3N4和NH4Cl溶液混合，放入聚四氟反應(yīng)釜中，進行水熱反應(yīng)，冷卻至室溫，形成胺化氮化碳材料；再將胺化氮化碳材料放入管式爐，進行熱處理，得到類石墨烯C3N4材料。本發(fā)明利用水熱、煅燒處理的方法得到單層或少層類石墨烯C3N4材料，該類石墨烯C3N4材料具有高效、長效光催化性能，能夠應(yīng)用于太陽能轉(zhuǎn)化利用、環(huán)境污染物凈化、重金屬離子檢測，如光解水制氫、有機污染物降解、Cr3+等重金屬離子在環(huán)境中分析檢測等。
文檔編號A62D3/17GK103193785SQ20131012313
公開日2013年7月10日 申請日期2013年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月11日
發(fā)明者許暉, 李華明, 顏佳, 佘小杰, 宋艷華, 夏杰祥, 尹盛, 徐遠國 申請人:江蘇大學(xué)