[发明专利]一种球形介孔氮化碳材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于材料合成技术领域，特别涉及一种球形介孔C₃N₄材料及其制备方法。

背景技术

氮化碳是（C₃N₄）一种根据理论计算并人工合成的无机化合物。1989年，Cohen和Liu依据已知的β-Si3N4的结构设计出β-C3N4，经计算β－C3N4的弹性模量约为410Gpa，与金刚石的弹性模量接近。1996年，Teter和Hemley对C₃N₄重新进行了计算，推测C₃N₄可能具有5种结构，即α相、β相、立方相、准立方相和类石墨相。在室温条件下，类石墨结构氮化碳(g-C₃N₄)最稳定。g-C₃N₄具有类似石墨的层状结构，层间含有C₃N₃环或C₆N₇环，环之间通过末端的N原子相连而形成一层无限扩展的平面。

近年来，g-C₃N₄由于其特殊的半导体特性，以及高水热稳定性和无毒，易制备等特点，被作为新型的非金属催化剂应用于催化反应中。例如，（1）有机反应，可直接作为偶联反应、傅-克反应、Knoenenagel缩合反应、烯烃和饱和烃环烷烃氧化反应、醇氧化反应、CO₂活化反应的催化剂，也可用作选择性加氢等反应催化剂的载体；（2）光降解有机污染物和光解水制氢。g-C₃N₄的光谱带宽2.7eV，在可见光区有吸收，远远高于水的理论分解值。(3)电催化反应。g-C₃N₄上含有大量的吡啶氮被证明对燃料电池的阴极反应——氧还原反应（ORR）具有很强的电催化作用。目前用作上述催化剂的g-C₃N₄材料主要为膜、体相或大孔、介孔材料，但这些材料存在比表面积过低，只有30~100m²/g，或不利于传质、或孔隙度差等缺陷，限制了其催化性能。纳米球形中空材料因为具有大的比表面积、可以负载其他材料的空腔、易于传质等优点，则可以解决上述材料的缺陷。

目前合成g-C₃N₄的方法主要有熔融法、软模板法,尽管纳米球状实心g-C₃N₄可以通过熔融法制备，但很难借鉴到纳米球形中空g-C₃N₄的制备；软模板法主要是以表面活性剂为模板剂，和含氮前驱物经水热反应可以制备具有介孔结构的体相材料，但很难直接得到纳米球形中空g-C₃N₄；

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是：现有技术中的g-C₃N₄材料，存在比表面积小、孔隙度差的缺陷，限制了其催化性能，

为解决这一技术问题，本发明提出以球形中空介孔纳米SiO₂为硬模板剂制备纳米球形中空g-C₃N₄，本发明采用的技术方案是：

本发明提供了一种具有中空空腔纳米结构的球形介孔C₃N₄材料，该球形介孔C₃N₄材料中，纳米粒子的大小为100~200纳米，中空空腔的直径为20~100nm，介孔孔道的孔径为2~10nm，比表面积为300~800m²/g。

本发明还提供了一种上述球形介孔C₃N₄材料的制备方法，具体步骤为：

（1）将2~10mL硅源溶解于50~100mL乙醇和5~20mL水的混合溶剂中，搅拌滴加1~10mL饱和浓氨水，继续搅拌1~5h,过滤，干燥，得到中间产物A；

作为优选：硅源选自纯的正硅酸四乙酯TEOS、0.1~0.5mol/L的硅溶胶或0.1~0.5mol/L的硅酸钠的水溶液；