[发明专利]一种多孔氮化碳纳米管的制备方法

说明书

本发明公开了一种多孔氮化碳纳米管的制备方法，制备过程包括：以富氮有机物为原料，经磷酸酸化水热处理后得到分散于混合液中的超分子前驱体，将超分子前驱体混合液水洗干燥后放入带盖氧化铝坩埚中，将坩埚置于马弗炉炉腔中心位置，经高温处理得到多孔氮化碳纳米管。纳米管的直径约为3‑8μm，表面分布着许多微孔。相比于体相石墨相氮化碳，这种多孔管状结构可有效地增大其比表面积、提供更多的催化活性位点、有利于光生载流子的快速分离并提高对可见光的利用率。这种多孔氮化碳纳米管在可见光照射条件下表现出优异的光催化性能。本方法所涉及的原料价格便宜且实验操作简单，可应用于大规模实际生产制备具有优异光催化性能的多孔氮化碳纳米管。

技术领域

本发明属于石墨相氮化碳的制备技术范畴，具体涉及一种可用于高效光催化剂的多孔氮化碳纳米管的制备方法。

背景技术

随着工业化和城市化的发展，环境污染和能源危机等问题日益突出。如何有效地利用太阳能这种绿色资源，去解决环境和能源问题已成为当今社会的热点。半导体光催化技术的发展为上述问题的解决带来新的希望。石墨相氮化碳作为一种不含金属组分的聚合物半导体材料，凭借其稳定的物理化学性能、独特的能带结构、良好的生物相容性以及光催化活性，使其在光催化、生物成像、传感器等领域具有广泛的应用前景。

目前，合成氮化碳的主要方法有溶剂热法、电化学沉积法、磁控溅射法和热缩聚法等。溶剂热法具有合成条件相对温和，氮不易流失等优点。但得到的石墨相氮化碳的结晶性普遍较差，而且反应过程中通常涉及到一些有毒的有机溶剂，对环境和实验人员有害。电化学沉积法一般用来制备氮化碳薄膜或涂层，得到的氮化碳薄膜一般为多晶或非晶态，不适合用来制备氮化碳粉体。磁控溅射法也是一种用来制备氮化碳薄膜的方法，但产物一般为多晶共存态，并且该方法对靶材以及反应气体的纯度要求较高。热缩聚法是一种常用的制备石墨相氮化碳的方法，其具有反应过程直接、简便、成本低和对环境无污染等优点。然而，通过热缩聚富氮有机物得到的产物多为体相石墨相氮化碳，其表面积低、催化活性位点少、光生载流子复合率高等缺点，严重限制了产物的光催化性能。因此，为了提高石墨相氮化碳的光催化性能，科研工作者们提出了各种改进方法，例如元素掺杂、与其他半导体复合、贵金属表面沉积、燃料敏化，以及通过剥离体相氮化碳得到二维氮化碳纳米片等。上述改性方法虽然可以在一定程度上提高其光催化性能，但一般提升效果有限。此外，上述实验过程一般操作复杂，一些金属盐的使用会带来环境污染等问题，并且价格昂贵的贵金属的添加也严重限制了其大规模的实际应用。

众所周知，石墨相氮化碳的微观形貌在光催化反应过程中发挥着至关重要的作用。例如，具有纳米球、纳米管、纳米带以及纳米棒等微观形貌结构的石墨相氮化碳，其光催化性能相比体相石墨相氮化碳都有明显的提高。相关研究表明，多孔管状结构的氮化碳在光催化领域拥有潜在巨大的应用前景。由于其具有特殊的一维多孔管状结构，光生载流子可以沿着其径向维度方向快速分离；同时光可以在管的内部发生多次反射，因此也有利于提高可见光的利用率。此外，这种多孔管状结构有助于其比表面积的增加和提供更多的催化活性位点，这些结构上的优点都将有助于其光催化性能的提升。

通常制备氮化碳纳米管的方法主要有模板法，例如，福州大学王新晨等人以氰胺前驱物和二氧化硅纳米管为模板制备出氮化碳纳米管(影像科学与光化学2015，33(5)：417-425)。然而，该实验操作繁琐、周期较长，由于反应过程中引入了模板，因此需要在反应结束后，使用有毒并具有腐蚀性的氟化氢铵等试剂以去除模板，因此不够环保友好。

分子自组装技术是近年来兴起的一种方法，广泛应用于纳米材料的微观形貌调控。原料分子在氢键的作用下聚合成超分子前驱体，由于氢键具有方向性和饱和性，因此得到的超分子前驱体通常也具有特定的微观结构。通过直接对超分子前驱体进行热处理得到的产物通常也具有相应的形貌。目前，已经有科学家通过分子自组装方法制备出氮化碳纳米管。如南京大学昆山创新研究院的邹志刚院士等人(周勇，高军，邹志刚，一种自组装氮化碳纳米管的制备方法以及由该方法制得的纳米管，公开号：CN102616757A)通过自组装方法得到氮化碳纳米管。但一般分子自组装方法所得到的氮化碳纳米管都不具有多孔结构，因而也影响了其光催化性能的进一步提高。