[发明专利]一种氮化碳纳米带及其二级组装结构的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种氮化碳纳米带及其二级组装结构的制备方法，特别涉及一种制备石墨相氮化碳（g-C₃N₄）纳米带及其二级组装结构的方法。

背景技术

氮化碳由碳和氮两种元素组成，元素储量丰富，来源广泛，合成方法简便，经济性好且易于获得。石墨相氮化碳（g-C₃N₄）属于窄带隙半导体，其带隙宽度约为2.7 eV，无毒，不含金属。同时，g-C₃N₄还具有良好的机械性能、热稳定性、耐酸碱腐蚀性（在pH从0到14的水溶液中均具有较好的稳定性）以及氧化能力强和电子迁移速率高等优点。基于上述优点，g-C₃N₄可作为一种新型的可见光催化剂使用，可以应用在光催化、电催化、有机加氧脱氢等反应中，同时在其他领域，如能量转换、气体的储存和捕获、水中污染物的净化、太阳能电池等方面也应用良好。

氮化碳常用的制备方法主要有高压热解法、气相沉积法、离子注入法、水热或溶剂热合成法和电化学沉积法等。近年来，一种直接加热缩聚合单氰胺、二聚氰胺和三聚氰胺等有机物前驱体的方法，成为近年来应用的比较多的制备g-C₃N₄晶体的方法。但是这些方法制备的块体材料比表面积往往小于10 m²/g，实际应用范围有限。

为此，通常考虑向体相氮化碳中引入孔径可调的孔结构，或改变氮化碳的纳米粒径及形貌来增加其比表面积。2005年，Vinu等（“Preparation and characterization of well-ordered hexagonal mesoporous carbon nitride”Adv Mater，2005，17：1648）以介孔氧化硅SBA-15为硬模板，制备出具有有序介孔结构的氮化碳MCN-1，但多孔g-C₃N₄ 合成后，需要去除硬模板，往往需要使用剧毒的HF或NH₄HF₂，对人体的伤害较大。除了多孔结构外, 还可利用空间限域法、合成打碎法、热剥离法、溶剂剥离法等制备得到一系列不同形貌的氮化碳量子点、纳米线、纳米管、纳米带、纳米棒、纳米颗粒、纳米球、纳米簇（参见“高比表面积石墨化氮化碳的制备及应用”，石油学报，2014，30：158）。例如，Li等（“Condensed graphitic carbon nitride nanorods by nanoconfinement：Promotion of crystallinity on photocatalytic conversion” Chem Mater，2011，23：4344）以阳极氧化铝作为模板、腈胺为前驱体，通过限域热缩聚制备得到高结晶度及光催化性能的氮化碳纳米棒； Yang等人（“Synthesis and characterization of nitrogen-rich carbon nitride nanobelts by pyrolysis of melamine” Appl Phys A，2011，105：161）利用三聚氰胺为前驱体，分别在700℃、1000℃两步处理法得到了纤维形貌的纳米带状产物； Zhao等人（“Large-scale synthesis of nitrogen-rich carbon nitride microfibers by using graphitic carbon nitride as precursor” Adv Mater，2008，20：1777）利用氮化碳为前驱体在缓慢升温至680℃制备了直径接近微米的长纤维；Li等（“Synthesis and characterization of graphite-like carbon nitride nanobelts and nanotubes” Nanotechnology，2007，18：1）以二氰二胺和三聚氰胺为前驱体，在290℃、4.5～5 MPa的条件下得到了纳米带、纳米管状产物。

已有氮化碳纳米结构的制备方法均在某种程度上利用了环状结构氮化碳的稳定性，或者借助模板构筑纳米结构，或者利用其升华重组特性生长纳米结构。但是，在模板制备方法中，作为硬模板氧化硅去除困难；在生长制备方法中，高温生长的纳米结构难以再进行二级组装，难以构筑更高级的纳米结构。

发明内容