[发明专利]一种高比表面介孔石墨相氮化碳材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及无机材料领域，具体涉及一种高比表面的介孔石墨相氮化碳材料及其制备方法。

背景技术

石墨相氮化碳（g-C₃N₄）是一种以三均三嗪或三嗪为母体结构，通过N原子桥联，最终以类石墨形式多层堆积而构成的含碳共价化合物。g-C₃N₄禁带宽度仅为2.7eV，是一种性能较佳的半导体材料；另一方面，g-C₃N₄母体结构中高度共轭的N孤对电子能活化苯等芳烃分子，同时类石墨层边缘的丰富胺基使其具有良好的碱性质。因此，g-C₃N₄在光催化、多相催化、燃料电池、CO₂吸附等领域凸显出潜在的应用前景，被科研工作者视为可替代传统碳质材料的新型多功能材料。

g-C3N4材料在诸多领域的应用性能与其比表面和孔结构有着重要关联。通常而言，比表面越高，g-C₃N₄的应用潜力越高。相比普通的低表面（<10m²/g）g-C₃N₄，介孔g-C₃N₄材料具有高比表面（>100m²/g）和孔体积（>0.5cm³/g），同时2~50nm的介孔结构有利于反应中的传质扩散。鉴于此，如何提高g-C₃N₄的比表面和孔体积，并实现两织构参数的可控成为了制约g-C₃N₄高效利用的关键。

目前，合成介孔g-C₃N₄材料主要有三大类方法。第一类为专利200610098746.6和日本Ajayan Vinu等人（Adv.Funct.Mater.,2008,18,816-827；Chem.Mater.,2007,19,4367-4372；Angew.Chem.Int.Ed.Engl.,2009,48,7884-7887.）所报道的四氯化碳和乙二胺的缩聚法。该方法采用介孔SiO₂材料为硬模板，以四氯化碳和乙二胺分别作为碳源和氮源，通过预缩合（3~15h），高温缩聚，除SiO₂模板制得介孔g-C₃N₄材料。此法所用的前驱体，即四氯化碳和乙二胺毒性较大且最终产物含氮量很低（氮碳摩尔比例低于0.4）——远低于理论g-C₃N₄材料的含氮量（1.3）。第二类方法为德国Markus Antonietti（Adv.Mater.,2005,17,1789-1792；Angew.Chem.Int.Ed.Engl.,2006,45,4467-4471；NewJ.Chem.,2007,31,1455-1460）等人报道的氰胺缩聚法。该方法以氰胺为前驱体，SiO₂纳米小球为硬模板，通过高温缩聚，除模板制得高比表面的介孔g-C₃N₄材料。尽管此法工艺流程较第一种制备方法方便，但是所用原料氰胺高毒，熔点低（~42℃），易燃易爆，存在严重的安全隐患。第三类方法为专利201010569050.3和谢毅等人（Chem.Commun.,2004,26~27）报道的benzene-thermal（苯热）合成法。该方法的原料为叠氮钠（NaN₃）或氨基钠（NaNH₂）和2,4,6-三氯三嗪（又称三聚氰氯，C₃N₃Cl₃），其中叠氮化钠和氨基钠化学性质活泼，易燃易爆。因此，这些方法都存在不同程度的弊端，目前迫切需要以价廉、安全的化学试剂为原料，合成高比表面并且比表面和孔体积可调的介孔石墨相氮化碳材料应用于工业生产中，但是目前尚未见报道。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对目前制备介孔石墨相氮化碳材料时存在的原料剧毒，易燃易爆且产物比表面积不大、表面积和孔体积不易调控等缺点，为了解决上述问题，本发明提供一种以价廉、安全的化学试剂为原料，得到比表面积大而且比表面和孔体积均可调控的介孔g-C₃N₄材料及其制备方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：