【技術實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術屬于半導體納米材料制備，更具體地，涉及一種大規(guī)模制備高氮比的g-c3n4納米管陣列及其制備方法，得到的高氮比的g-c3n4納米管陣列適合應用在光催化、電催化、吸附、生物傳感、生物醫(yī)學等領域。
技術介紹
1、石墨相氮化碳(g-c3n4)作為一種綠色無毒的、具有合適帶隙(2.7ev)非金屬型有機聚合物半導體，以自身優(yōu)異的耐高溫性、良好的化學穩(wěn)定性和獨特的二維結構等理化性能在生物醫(yī)學應用、傳感器件、光電催化中受到廣泛的深入研究。傳統(tǒng)的體相g-c3n4是通過c、n之間的共價鍵形成的石墨原子層堆疊而成的二維層狀結構，其中三-s-三嗪單元是g-c3n4最穩(wěn)定的存在單元，具有能帶可調性。然而，傳統(tǒng)的體相g-c3n4納米材料的量子限制效應的影響、低比表面積和有限的活性位點很大程度上限制了高電荷載流子效率阻礙了其進一步的實際應用。對于三維結構的g-c3n4納米管陣列而言，其獨特的層次化、界面接觸密切、電子遷移高、易于傳質、大比表面積和大量活性位點表現(xiàn)出優(yōu)異測試性能而在光催化、電催化、吸附、生物傳感、生物醫(yī)學等領域受到廣泛推崇。因此，實現(xiàn)大規(guī)模制備g-c3n4納米管陣列成為人們關注的焦點。
2、截至目前，研究工作中涉及的g-c3n4納米管陣列主要通過硬模板法技術合成。該方法被視為利用特定模板控制形態(tài)、孔隙度、比表面積和尺寸制備g-c3n4納米管陣列材料。具體以多孔陽極氧化鋁(aao)模板為基底，通過前驅體浸潤、前驅體結構轉化及模板去除三步過程構筑。該方法所獲的產物結構依靠模板固有結構、因此相對容易控制。然而，在模板去除的過程中
技術實現(xiàn)思路
1、針對現(xiàn)有技術的以上缺陷或改進需求，本專利技術的目的在于提供一種大規(guī)模制備高氮比的g-c3n4納米管陣列及其制備方法，其中通過對制備方法的反應機制、反應流程設計等進行改進，同時使用尿素和硫酸羥胺作為氮源，無需借助剛性模板誘導輔助合成即可得到g-c3n4納米管陣列材料，制得的g-c3n4納米管陣列材料為單相材料，具有高氮比(即，高氮含量)的特點，制備方法簡單、反應條件溫和、易于操作且原料廉價易得等優(yōu)點，能夠解決現(xiàn)有技術中操作過程復雜、危險、產物純度低、耗時及產量低的缺點和不足的問題。并且，本專利技術制得的g-c3n4納米管陣列納米材料除了具有高氮含量的特點外，還具有、大比表面積及低帶隙的特點，能夠擴展g-c3n4材料在光催化、電催化、吸附、生物傳感和生物醫(yī)學等領域的應用。
2、為實現(xiàn)上述目的，按照本專利技術的一個方面，提供了一種高氮比的g-c3n4納米管陣列的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
3、(1)將尿素均勻溶解于水中，得到單氮源混合溶液；
4、(2)將硫酸羥胺加入所述單氮源混合溶液均勻溶解，得到多氮源混合溶液；
5、(3)將三聚氰胺加入所述多氮源混合溶液中，混合分散均勻后，得到多氮源混合三聚氰胺體系的分散液；
6、(4)對所述多氮源混合三聚氰胺體系的分散液進行水熱反應，水熱反應的水熱溫度為120℃-200℃，反應時間為12h-48h；反應結束后，收集反應產物，并對反應產物清洗、干燥，即可得到多氮源摻雜三聚氰胺的前驅體粉末；該多氮源摻雜三聚氰胺的前驅體粉末具有納米柱狀陣列結構；
7、(5)將所述多氮源摻雜三聚氰胺的前驅體粉末用鋁箔紙緊密包裹后在空氣氛圍下煅燒，即可得到高氮比的g-c3n4納米管陣列納米材料。
8、作為本專利技術的進一步優(yōu)選，所述尿素、所述硫酸羥胺和所述三聚氰胺三者的用量之比滿足質量比為(0.74g-4.28g)：(1g-6g)：(0.5g-3g)。
9、作為本專利技術的進一步優(yōu)選，所述多氮源混合溶液中，所述硫酸羥胺的質量與溶劑水的體積之比為(1/30)～0.06g/ml。
10、作為本專利技術的進一步優(yōu)選，步驟(3)中，所述分散是采用超聲處理，超聲處理時間為20-60min。
11、作為本專利技術的進一步優(yōu)選，步驟(4)中，所述清洗具體是采用超純水和乙醇多次交替清洗；所述干燥所采用的干燥溫度為50℃-80℃，干燥時間為20h-30h。
12、作為本專利技術的進一步優(yōu)選，步驟(4)中，所述清洗具體是采用超純水和乙醇交替清洗共7次，且最后一次采用超純水。
13、作為本專利技術的進一步優(yōu)選，步驟(5)中，所述煅燒所采用的煅燒溫度為500℃-600℃，升溫速率為1℃/min-10℃/min，保溫時間為3h-5h。
14、按照本專利技術的另一方面，本專利技術提供了上述制備方法得到的高氮比的g-c3n4納米管陣列。
15、作為本專利技術的進一步優(yōu)選，該高氮比的g-c3n4納米管陣列中氮元素的質量百分占比大于44.81％，優(yōu)選大于52.76％。
16、作為本專利技術的進一步優(yōu)選，該高氮比的g-c3n4納米管陣列中，碳、氮、氧的元素質量百分占比分別為17.02％、76.59％、6.39％。
17、通過本專利技術所構思的以上技術方案，與現(xiàn)有技術相比，本專利技術制備方法以三聚氰胺為原料、尿素為氮源、硫酸羥胺為催化氮源，通過水熱法調控三聚氰胺的形貌，使三聚氰胺由無規(guī)則的顆粒狀結構轉變?yōu)榫哂卸ㄏ蚺帕械摹⒓{米柱狀陣列結構的改性三聚氰胺前驅體(即，多氮源摻雜三聚氰胺的前驅體)；而將改性前驅體在空氣中煅燒，即可得到高氮含量摻雜的、定向排列的三維g-c3n4納米管陣列納米材料。
18、并且，不同于體相g-c3n4含氮率為44.81％、單氮源摻雜g-c3n4納米管含氮率為52.76％，本專利技術制得的g-c3n4納米管陣列其含氮率為76.59％，具有高氮比的特點，并且還提高了比表面積、降低了電子能帶帶隙(如后文圖14、圖15、圖16和圖17所示)。
19、此外，相較于現(xiàn)有技術中通過硬模板法技術合成的g-c3n4納米管陣列，本專利技術的目的在于克服上述現(xiàn)有技術的缺點，對于傳統(tǒng)模板分離過程中產物結構易破壞、易引入模板元素或刻蝕元素污染產物及一次性使用的模板不具備成本效益的弊端，本專利技術基于超分子自組裝反應的g-c3n4納米管陣列的制備方法，微觀角度中陣列結構的納米管間距更為蓬松、可以有效提供更大的比表面積和電子傳輸能力，且未含有雜元素的存在以確保產物的純凈，且前驅體分子在產物中所引入的氮元素有利于改善產物的微觀結構、電子結構，有效解決現(xiàn)有技術中操作過程繁瑣、危險、易被污染及產量低的缺點和不足的問題。
20、具體說來，本專利技術能夠取得以下有益效果：
21、(1)本專利技術制備方法以三聚氰胺為原料、尿素為氮源、硫酸羥胺為催化氮源，首先通過水熱反應促進超分子自組裝形成三維納米柱陣列前驅體(即，多氮源摻雜本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種高氮比的g-C3N4納米管陣列的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.如權利要求1所述制備方法，其特征在于，所述尿素、所述硫酸羥胺和所述三聚氰胺三者的用量之比滿足質量比為(0.74g-4.28g)：(1g-6g)：(0.5g-3g)。
3.如權利要求1所述制備方法，其特征在于，所述多氮源混合溶液中，所述硫酸羥胺的質量與溶劑水的體積之比為(1/30)～0.06g/mL。
4.如權利要求1所述制備方法，其特征在于，步驟(3)中，所述分散是采用超聲處理，超聲處理時間為20-60min。
5.如權利要求1所述制備方法，其特征在于，步驟(4)中，所述清洗具體是采用超純水和乙醇多次交替清洗；所述干燥所采用的干燥溫度為50℃-80℃，干燥時間為20h-30h。
6.如權利要求5所述制備方法，其特征在于，步驟(4)中，所述清洗具體是采用超純水和乙醇交替清洗共7次，且最后一次采用超純水。
7.如權利要求1所述制備方法，其特征在于，步驟(5)中，所述煅燒所采用的煅燒溫度為500℃-600℃，升溫速率為1℃/min-1
8.利用如權利要求1－7任意一項所述制備方法得到的高氮比的g-C3N4納米管陣列。
9.如權利要求8所述高氮比的g-C3N4納米管陣列，其特征在于，該高氮比的g-C3N4納米管陣列中氮元素的質量百分占比大于44.81％，優(yōu)選大于52.76％。
10.如權利要求8所述高氮比的g-C3N4納米管陣列，其特征在于，該高氮比的g-C3N4納米管陣列中，碳、氮、氧的元素質量百分占比分別為17.02％、76.59％、6.39％。
...【技術特征摘要】
1.一種高氮比的g-c3n4納米管陣列的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.如權利要求1所述制備方法，其特征在于，所述尿素、所述硫酸羥胺和所述三聚氰胺三者的用量之比滿足質量比為(0.74g-4.28g)：(1g-6g)：(0.5g-3g)。
3.如權利要求1所述制備方法，其特征在于，所述多氮源混合溶液中，所述硫酸羥胺的質量與溶劑水的體積之比為(1/30)～0.06g/ml。
4.如權利要求1所述制備方法，其特征在于，步驟(3)中，所述分散是采用超聲處理，超聲處理時間為20-60min。
5.如權利要求1所述制備方法，其特征在于，步驟(4)中，所述清洗具體是采用超純水和乙醇多次交替清洗；所述干燥所采用的干燥溫度為50℃-80℃，干燥時間為20h-30h。
6.如權利要求5...
【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：侯慧杰，喬宇庭，王硯深，王治元，胡敬平，梁莎，袁書珊，虞文波，楊家寬，
申請(專利權)人：華中科技大學，
類型：發(fā)明
國別省市：
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