[发明专利]一种铁离子掺杂的氮化碳纳米管的制备方法及所得产品

说明书

本发明公开了一种铁离子掺杂的氮化碳纳米管的制备方法及所得产品，步骤为：将含氮有机前驱体、三价铁盐和水配成均匀溶液，升温至沸腾后按照特定的降温速率进行降温结晶，所得晶体煅烧得最终产品。本发明利用晶体自结晶实现了铁离子的均匀掺杂，制备过程简单，产率高，所得产品为纳米管状，壁厚为3‑20纳米，这种薄壁的纳米管比表面积大，具有高的反应活性，铁离子分布在C3N4的嗪环网络中，不会被氧化，在能源材料领域有重要的应用。

技术领域

本发明涉及一种离子掺杂型氮化碳的制备方法，具体涉及一种铁离子掺杂的氮化碳纳米管的制备方法及所得产品，属于半导体材料制备技术领域。

背景技术

氮化碳作为一种无毒、易合成、物理化学性质稳定、具有较窄禁带（带隙约为2.7ev）且地球含量高的有机半导体，近些年来引起了人们的广泛关注。石墨相的氮化碳由于具有类石墨烯的层状结构，且具有一系列与石墨烯相类似的性质，因而人们对其进行了大量的探索，将其应用于光催化降解、光催化产氢、分析化学等诸多领域。

对氮化碳而言，增加氮化碳活性位点以及离子掺杂是提高光生载流子分离转移的有效手段。目前进行离子掺杂的工作有很多，但是大家普遍采用的方法是将含氮有机前驱体（如三聚氰胺、双氰胺、硫脲等）和相关盐类进行前期研磨，后经热缩聚过程，合成离子掺杂型氮化碳。但是，这些方法所得的产品形貌为块状，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。将氮化碳制成纳米管形貌是提高其光催化产氢，光催化降解有机物等一系列的性能的有效方式，但目前未见简单、方便的离子掺杂型氮化碳纳米管的相关报道。

发明内容

针对现有离子掺杂型氮化碳制备过程中存在的离子掺杂不均匀、掺杂离子易氧化等不足，本发明提供了一种铁离子掺杂的氮化碳纳米管的制备方法及所得产品，该方法操作过程简单，重复性好，可控性好，所得石墨相氮化碳为纳米管形貌，铁离子分布均匀、不易氧化。

本发明具体技术方案如下：

一种铁离子掺杂的氮化碳纳米管的制备方法，该方法包括以下步骤：

（1）将含氮有机前驱体、三价铁盐和水配成均匀溶液；

（2）将步骤（1）的均匀溶液加热至沸腾，然后按照1-5 ℃/min的降温速率降至室温，进行析晶；

（3）将析出的晶体进行煅烧，得到铁离子掺杂的氮化碳纳米管。

本发明通过结晶和煅烧两个过程实现铁离子的均匀掺杂和纳米管的形貌的形成。首先，配制含氮有机前驱体、三价铁盐和水组成的溶液，该溶液中含氮有机前驱体呈过饱和状态，将该过饱和溶液在加热至沸腾后按照特殊的降温速率进行分阶段降温，含氮有机前驱体晶体在降温的过程中会逐步析出，同时在结晶的过程中铁离子会掺杂进入含氮有机前驱体晶体内。在后续的煅烧过程中，掺杂有铁离子的含氮有机前驱体晶体经过高温热缩聚作用，形成纳米管形貌。在热缩聚过程中，铁离子与C₃N₄中的氮形成配位键，被固定在C₃N₄嗪环网络内，没有向表面扩散。铁离子的存在对氮化碳纳米管形貌的产生起到了促进作用，铁离子稳定的存在在C₃N₄嗪环网络内，不会被氧化，且分布均匀。

进一步的，步骤（1）中，配制均匀溶液时，为了方便含氮有机前驱体的溶解，在加热、搅拌的情况下将其溶解在水中。例如，可以先将含氮有机前驱体与水混合，加热至回流，至含氮有机前驱体完全溶解，然后加入三价铁盐混合均匀。所述三价铁盐以固体或水溶液的形式加入。