[发明专利]一种钴离子掺杂的氮化碳空心四棱柱及其制备方法

说明书

本发明公开了一种钴离子掺杂的氮化碳空心四棱柱及其制备方法，空心四棱柱的底面外侧壁边长为300‑400nm，棱长为4‑10μm，壁厚为20‑50纳米。本发明通过析晶和煅烧两个过程实现了钴离子的均匀掺杂和空心四棱柱形貌的形成。本发明利用晶体的自析晶过程，不仅可提高原料的纯度，还实现了钴离子的均匀掺杂，制备过程简单，重复性好，产率高，且具有普适性。煅烧得到的产品具有空心四棱柱形貌，该形貌新颖、特殊，比传统的块状形貌具有更高的比表面积，在光催化降解有机物、光催化产氢、能源材料、分析化学等领域极具应用前景。且钴离子存在在C₃N₄嗪环网络内，分布均匀且不会被氧化，可以有效地避免钴离子发生氧化形成氧化物/氮化碳异质结。

技术领域

本发明涉及一种形貌特殊的钴离子掺杂的氮化碳空心四棱柱及其制备方法，属于半导体材料制备技术领域。

背景技术

氮化碳作为一种有机半导体，其带隙约为2.7 ev，是一种极具应用潜力的光催化材料。由于其具有合成成本较低、无毒且物理化学性质稳定等优异特性，近些年来人们对其进行了大量的探索，但是氮化碳导电性差、比表面积低等缺点极大地限制了氮化碳材料的实际应用。

自2009年以来，人们利用研磨法对氮化碳进行了大量的掺杂工作，并发现掺杂后的氮化碳材料在光催化等方面性能得到提升。因此，科学工作者对氮化碳掺杂这一领域进行了大量的探索，包括金属离子掺杂及非金属离子掺杂。但是用研磨法合成的掺杂氮化碳材料形貌为块状，大多尺寸较大，比表面积较小，且研磨后煅烧形成的产物中离子掺杂不均匀，因为在热缩聚过程中离子极易向表面扩散，氮化碳表面的离子容易氧化。因此，寻找一种新的离子掺杂方法以解决掺杂离子分布不均匀、掺杂离子易氧化、产品尺寸大、比表面积小的问题是极具研究价值的。

此外，氮化碳材料的形貌对其性能也有着重要影响，可用于提高其光催化产氢、光催化降解有机物等一系列的性能。因此开发氮化碳材料的新形貌对其性能的提高也有重要意义。

发明内容

针对现有离子掺杂型氮化碳形貌单一、离子掺杂不均匀等不足，本发明提供了一种钴离子掺杂的氮化碳空心四棱柱，该产品形貌特殊，钴离子掺杂均匀，不易氧化。

本发明还提供了上述钴离子掺杂的氮化碳空心四棱柱的制备方法，该方法操作过程简单，重复性好，可控性好，所得产品为空心四棱柱，形貌特殊，且钴离子分布均匀、不易氧化。

本发明通过自析晶实现钴离子的均匀掺杂，同时得到了空心四棱柱特殊形貌，克服了传统的研磨法离子掺杂不均、产品形貌单一、产品比表面积小等缺陷。

本发明具体技术方案如下：

一种钴离子掺杂的氮化碳空心四棱柱，该空心四棱柱的棱长为4-10μm，壁厚为20-50纳米，空心四棱柱的底面为四边形，底面的外侧壁的边长为300-400nm。该形貌与传统方法制得的块状形貌理论上具有更高的比表面积，性能更佳。

进一步的，所述氮化碳为石墨相氮化碳。

进一步的，所述空心四棱柱为空心的四直棱柱。

进一步的，所述钴以二价离子的状态均匀分布在C₃N₄嗪环网络中，因此钴离子不会被氧化。经XRD衍射谱验证，XRD衍射谱中并未出现与钴元素相关的特征峰，因此表明钴在空心四棱柱中确实以二价钴离子的状态存在。这侧面证明了在制备的过程中钴离子与氮化碳中的N形成了配位键，被固定在C₃N₄嗪环网络中。

本发明还提供了钴离子掺杂的氮化碳空心四棱柱的制备方法，该方法包括以下步骤：

（1）将含氮有机前驱体、二价钴盐和水配成均匀溶液；

（2）将步骤（1）的均匀溶液加热至沸腾，然后停止加热，将沸腾的均匀溶液在冷水中降温析晶；