氮化碳/二氧化钛复合材料及其制备和应用制造技术

本发明专利技术提供了一种氮化碳/二氧化钛复合材料及其制备和应用，方法为：将前驱体双氰胺与模板剂碳酸钙纳米粒子在水中分散搅拌混合均匀，然后离心、水洗、醇洗、干燥得到双氰胺与碳酸钙纳米粒子的混合物；将双氰胺与碳酸钙纳米粒子的混合物加热煅烧得到含模板剂的多孔Melem，用盐酸溶液腐蚀去除模板，经过离心、水洗、醇洗、干燥得到多孔Melem；将得到的多孔Melem用水分散，加入TiO2纳米粒子，超声混合均匀，然后进行离心、水洗、醇洗、干燥后再加热煅烧得到氮化碳/二氧化钛复合材料。成品比表面积大，二氧化钛颗粒分散均匀，导电能力更强，其光电流信号强度可达到体相的石墨相氮化碳材料的5.4倍。

Carbon nitride / titanium dioxide composite material and its preparation and Application

The present invention provides a carbon nitride / titanium dioxide composite material and its preparation and application. The method is as follows: the precursor of dicyandiamide and template calcium carbonate nanoparticles dispersed in water and stir, then centrifuging, washing, alcohol washing and drying the mixture of dicyandiamide and calcium carbonate nano particles; heating the mixture of calcined dicyandiamide and calcium carbonate nanoparticles obtained porous Melem template containing the template is removed by hydrochloric acid solution after corrosion, centrifugation, washing, alcohol washing and drying of porous Melem; the obtained porous Melem water dispersion, adding TiO2 nanoparticles, ultrasonic mixing and centrifugation, washing, alcohol washing, drying and then heating the calcined carbon nitride / titanium dioxide composite material. The specific surface area of the product is large, the titanium dioxide particles are well dispersed, and the conductivity is stronger, and the photocurrent signal intensity can reach 5.4 times of the graphite phase carbon nitride material.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种以双氰胺为原料，通过模板剂的引入，煅烧合成得到多孔的中间产物Melem，经过去模板，以及二氧化钛纳米粒子的混合，再经过高温煅烧合成出氮化碳/二氧化钛复合材料，并将其应用于光电转换。
技术介绍
进入21世纪，社会生产快速发展，能源快速消耗，能源危机，环境污染问题亟待解决，诸多事实促使人们开始寻找可持续性的清洁再生能源，如太阳能，风能，地热能，潮汐能，核能等。在这些新能源中，作为近乎可无限利用的绿色可再生能源，太阳能被认为是传统化石染料最为理想的替代品之一，因而如何有效地开发和利用太阳能也是本世纪人们关注的热点。自2008年碳化氮材料被发现在可见光照射下能够光解水制氢以来，碳化氮在光电转换方面的潜力逐渐被挖掘出来。碳化氮是一种高聚物，在可见光催化反应方面主要应用于光解水及有机污染物的降解等，其热稳定性和化学稳定性较强,具有相对较低的带隙(2.7eV)，但作为无机高聚物，单纯的石墨相氮化碳的导电性又太弱，在光的照射下产生的电子—空穴对的复合率高，使得其光电转化和催化效率相对较低。因此，要提高氮化碳材料的光电转化效率，必须提高其导电性。有报道表明半导体掺杂的方法可有效改善碳化氮材料的导电性，提高光生电子传输速度。
技术实现思路
技术问题：本专利技术的目的是提供一种氮化碳/二氧化钛复合材料的制备方法，并将其应用于光电转换中，提高其光电流信号，在一定程度上解决了石墨相氮化碳的光电转换效率低的问题。技术方案：一种氮化碳/二氧化钛复合材料，以双氰胺为原料，通过模板剂碳酸钙纳米粒子的引入，煅烧合成得到多孔的中间产物Melem，经过去模板，以及二氧化钛纳米粒子的混合，再经过高温煅烧合成出氮化碳/二氧化钛复合材料。所述的氮化碳/二氧化钛复合材料的制备方法，包括以下步骤：第一步，将前驱体双氰胺与模板剂碳酸钙纳米粒子在水中分散搅拌混合均匀，然后离心、水洗、醇洗、干燥得到双氰胺与碳酸钙纳米粒子的混合物；第二步，将双氰胺与碳酸钙纳米粒子的混合物加热煅烧得到含模板剂的多孔Melem，用盐酸溶液腐蚀去除模板，经过离心、水洗、醇洗、干燥得到多孔Melem；第三步，将得到的多孔Melem用水分散，加入TiO2纳米粒子，超声混合均匀，然后进行离心、水洗、醇洗、干燥后再加热煅烧得到氮化碳/二氧化钛复合材料。第一步中所述的混合过程具体步骤为：将双氰胺固体置于洁净干燥的烧杯中，向其中加入碳酸钙粉末和二次水混合均匀，常温下搅拌完成后离心洗涤干燥得到前驱体与模板剂的均匀混合物。第二步中，煅烧时升温速率为2～2.3℃/min，目标温度为380～420℃，达到目标温度后的保温时间为3～4h。第三步中，分散剂用量为20～30ml，加入的Melem与TiO2的质量比分别为1～10：1。第三步中，超声时间为3h，离心时，转速为10000～12000rpm，时间为15min，冷却温度为10～15℃，二次蒸馏水洗涤至离心上层清液为中性，真空干燥温度为50～60℃，时间为12h。第三步中，煅烧时升温速率为2～2.3℃/min，目标温度为520～550℃，达到目标温度后的保温时间为4h。所述的氮化碳/二氧化钛复合材料在光电转换材料中的应用。有益效果：本专利技术采用模板法制备的氮化碳/二氧化钛复合材料作为半导体材料，具有模板易去除、成本低廉、性能优异、性质稳定的特点，是用于光电转化的高性能半导体材料。在增大了石墨相氮化碳比表面积的基础是上，引入导电性更强的半导体二氧化钛，使得材料光电流信号提升。本专利技术采用模板法制备氮化碳/二氧化钛复合材料，比表面积大，二氧化钛颗粒分散均匀，导电能力更强，其光电流信号强度可达到体相的石墨相氮化碳材料的5.4倍。附图说明图1为合成氮化碳/二氧化钛复合材料的扫描电子显微镜(SEM)图。图2为合成氮化碳/二氧化钛复合材料的透射电子显微镜(TEM)图。图3为合成氮化碳/二氧化钛复合材料的比表面积测试图。图4为合成氮化碳/二氧化钛复合材料的性能测试图。由图4可以看出，随着Melem与TiO2比例逐渐增加，材料的光电流强度先逐渐增加，最后逐渐降低。当施加外电压为-0.2V时，材料的光电流强度稳定在一定值。结合SEM图分析，当Melem与TiO2的比例逐渐增加时，TiO2在GPPCN表面的密度逐渐减小，从而使得GPPCN能够接收到更多的可见光照射，产生更多的光生电子和空穴，电子迅速由GPPCN的导带传导至TiO2的导带，进入外电场回路，产生更强的光电流响应，因而光电流逐渐增加。当继续增加Melem与TiO2的比例时，由于TiO2相对减少，GPPCN接受光照后产生的光生电子数量增加的比例远小于TiO2导电性降低的比例，故而外电路电流大幅下降，因而光电流强度转而降低。通过对比可以看出，复合材料的光电流相对于体相材料GPPCN提升很明显。具体实施方式一种氮化碳/二氧化钛复合材料的制备方法包括以下步骤：(1)将前驱体双氰胺(DCDA)置于洁净干燥的100mL烧杯中，依次向其中加入模板剂CaCO3粉末，二次水，室温下连续搅拌4h。将分散均匀的前驱物与模板的混合物悬浊液离心除去二次水，并用乙醇离心洗涤三次，将得到的固体60℃真空干燥12h。所述称取双氰胺质量为10g，加入CaCO3粉末质量为2.5g，加入H2O的体积为50ml。所述搅拌时间为4h.。所述真空干燥温度为60℃，时间为12h。(2)将混合物转移到洁净干燥的坩埚中，将坩埚置于管式炉中，先通N2半个小时，然后加热煅烧。煅烧完成后用盐酸去除模板，离心水洗干燥后得到多孔Melem。所述升温加热速率为2.3℃/min，目标温度为400℃，保温时间为4h。所述盐酸为50ml二次水和5ml浓盐酸稀释得到。所述去模板搅拌反应时间为12h。所述离心转速为12000rpm，时间为15min，冷却温度为10℃。所述二次蒸馏水洗涤至离心上层清液为中性，乙醇洗涤3次。所述真空干燥温度为60℃，干燥时间为12h。(3)将得到的多孔Melem用水分散，加入一定量的TiO2纳米粒子，超声混合均匀，然后进行离心、水洗、醇洗、干燥后再经过程序加热煅烧至550℃，得到氮化碳/二氧化钛复合材料。所述中间产物Melem与二氧化钛的质量比分别为1:1，2:1，5:1，8:1，10:1。所述反应超声分散剂为二次水，体积为20ml，超声时间为4h。所述离心转速为12000rpm，时间为15min，冷却温度为10℃。所述二次蒸馏水洗涤至离心上层清本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氮化碳/二氧化钛复合材料，其特征在于，以双氰胺为原料，通过模板剂碳酸钙纳米粒子的引入，煅烧合成得到多孔的中间产物Melem，经过去模板，以及二氧化钛纳米粒子的混合，再经过高温煅烧合成出氮化碳/二氧化钛复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种氮化碳/二氧化钛复合材料，其特征在于，以双氰胺为原料，通过模板剂碳酸钙纳米粒子的引入，煅烧合成得到多孔的中间产物Melem，经过去模板，以及二氧化钛纳米粒子的混合，再经过高温煅烧合成出氮化碳/二氧化钛复合材料。
2.权利要求1所述的氮化碳/二氧化钛复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，将前驱体双氰胺与模板剂碳酸钙纳米粒子在水中分散搅拌混合均匀，然后离心、水洗、醇洗、干燥得到双氰胺与碳酸钙纳米粒子的混合物；
第二步，将双氰胺与碳酸钙纳米粒子的混合物加热煅烧得到含模板剂的多孔Melem，用盐酸溶液腐蚀去除模板，经过离心、水洗、醇洗、干燥得到多孔Melem；
第三步，将得到的多孔Melem用水分散，加入TiO2纳米粒子，超声混合均匀，然后进行离心、水洗、醇洗、干燥后再加热煅烧得到氮化碳/二氧化钛复合材料。
3.如权利要求2所述的氮化碳/二氧化钛复合材料的制备方法，其特征在于，第一步中所述的混合过程具体步骤为：将双氰胺固体置于洁净干燥的烧杯中，向其中加入碳酸钙粉末和二次水混合均匀，常温下搅拌完成后...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈艳飞，张成，张袁健，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32