一種介孔石墨相氮化碳材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種介孔石墨相氮化碳(mpg-C3N4)材料的制備方法,屬于材料制備及含能材料領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]類(lèi)石墨狀氮化碳(g_C3N4)因其特殊的物理化學(xué)性能，引起科研工作者的廣泛關(guān)注，在光催化、太陽(yáng)能利用、環(huán)境保護(hù)、多相催化等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景，被認(rèn)為是可代替?zhèn)鹘y(tǒng)碳質(zhì)材料的新型多功能材料。然而，g-C3N4材料的孔結(jié)構(gòu)和比表面積極大影響其性能，一般來(lái)說(shuō)，g_C3N4的比表面越高，提供的活性點(diǎn)越多，催化性能越好。采用傳統(tǒng)方法制備的g-C3N4大都呈層塊狀，比表面積較小、片層厚度較大，從而限制了 g_C3N4的應(yīng)用。通過(guò)硬模板法制備的介孔石墨相氮化碳(mpg-C3N4)材料,材料中富含的2-50 nm的介孔結(jié)構(gòu),具有大的比表面積，同時(shí)，Hipg-C3N4的電子結(jié)構(gòu)特征可促進(jìn)催化反應(yīng)過(guò)程中的電子轉(zhuǎn)移，對(duì)反應(yīng)中的傳質(zhì)擴(kuò)散起到促進(jìn)作用，從而表現(xiàn)出更好的催化效果。
[0003]高氯酸銨(AP)是復(fù)合推進(jìn)劑中的高能組分，它在推進(jìn)劑中占大約60%的比例，其熱分解特性與推進(jìn)劑的燃燒性能密切相關(guān)，通過(guò)研究催化劑對(duì)AP熱分解的催化作用可推測(cè)推進(jìn)劑的燃燒性能。研究表明，碳材料對(duì)高氯酸銨(AP)的熱分解的良好的催化作用。例如，Zhang 等【Zhang W ff, et al.Materials Research Bulletin, 2014，50，73】米用硝硫混酸對(duì)氧化石墨烯進(jìn)行硝化制備了硝化氧化石墨烯(NGO)，使高氯酸銨的高溫分解溫度降至326 °C;崔等【崔平，等.火炸藥學(xué)報(bào)，2006，29，25】通過(guò)溶劑蒸發(fā)法制備了碳納米管(CNTs)/AP復(fù)合粒子，將高氯酸銨的高溫分解溫度降低了 113.9 °C。基于以上分析，本發(fā)明采用硬模板法制備的介孔石墨相氮化碳(mpg-C3N4),對(duì)高氯酸銨(AP)的熱分解有更好的催化作用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于，提供一種介孔石墨相氮化碳材料的制備方法，為制備特定形貌的類(lèi)石墨相氮化碳(g-C3N4)材料提供一種新的方法；以此法制備出的介孔石墨相氮化碳(mpg-C3N4)材料與一般的塊狀g_C3N4材料相比，mpg-C3N4材料具有更大的比表面積，從而對(duì)高氯酸銨的熱分解表現(xiàn)出更佳的催化效果。
[0005]本發(fā)明提供了一種介孔石墨相氮化碳材料的制備方法，包括以下步驟:
(1)將納米膠態(tài)二氧化硅放入單氰胺水溶液中，室溫?cái)嚢?，使其混合充分?br>(2)將步驟(I)的混合液靜置，去除上層清液后置于烘箱中干燥得白色固體；
(3)將步驟(2)得到的白色固體研細(xì)，置于馬弗爐中煅燒后研磨得淡黃色粉末；
(4)將步驟(3)得到的淡黃色粉末分散于NH4HF2溶液中攪拌，去離子水和乙醇洗滌、干燥得mpg-C3N4材料。
[0006]所述步驟(I)中單氰胺水溶液為5~15 g，納米膠態(tài)二氧化硅為10~40 g。
[0007]所述步驟(I)中攪拌時(shí)間為2~4 h。
[0008]所述步驟(2 )中干燥溫度為40~70 V。
[0009]所述步驟(3)中煅燒溫度為400~600 °C，時(shí)間為3~6 h。
[0010]所述步驟(4)中NH4HF2溶液的濃度為2~5 mol/L。
[0011]所述步驟(4)中NH4HF2溶液的用量為100~400 mL。
[0012]所述步驟(4)中攪拌時(shí)間為48~64 h。
[0013]所述步驟(4)中洗滌次數(shù)為1~4次。
[0014]所述步驟(4)中干燥溫度為40~70 °C，時(shí)間為I?3 h。
[0015]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下的有益效果:
(I)采用本方法制備的Hipg-C3N4與一般的塊狀g-C 3N4相比，具有更大的比表面積，提供了更多地活性點(diǎn)，有效提高了催化高氯酸銨(AP)熱分解的活性。
[0016](2)采用本方法制備的Hipg-C3N4材料應(yīng)用于催化高氯酸銨(AP)的熱分解，拓寬了g_C3N4的應(yīng)用領(lǐng)域，同時(shí)也為高氯酸銨(AP)的催化分解找到了一種新型高效催化劑。
[0017](3)本方法原料來(lái)源廣泛，制備工藝簡(jiǎn)單，適合工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)，在含能材料領(lǐng)域具有很高的應(yīng)用前景和實(shí)用價(jià)值。
【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1為實(shí)施例1制備的Hipg-C3N4的FT-1R曲線(xiàn)。
[0019]圖2為實(shí)施例2制備的Hipg-C3N4的XRD曲線(xiàn)。
[0020]圖3為實(shí)施例2制備的Hipg-C3N4的TEM圖片。
[0021 ] 圖4為塊狀g_C3N4和實(shí)施例2制備的mpg-C 3N4催化高氯酸銨熱分解的性能測(cè)試曲線(xiàn)。
[0022]圖5為本發(fā)明一種Hipg-C3N4材料的制備方法流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。以下實(shí)施例僅用于更加清楚地說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，而不能以此來(lái)限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0024]實(shí)施例1
如圖5所示，一種介孔石墨相氮化碳材料的制備方法，包括以下步驟:
(1)稱(chēng)取10g納米膠態(tài)S12放入5 g濃度為50 wt%的單氰胺水溶液中，在室溫下攪拌4 h使其混合充分；
(2)將步驟(I)的混合液靜置，去除上層清液后置于烘箱中601:干燥得白色固體；
(3)將步驟(2)得到的白色固體研細(xì)，置于馬弗爐中500°C煅燒6 h后研磨得淡黃色粉末；
(4)將步驟(3)得到的淡黃色粉末分散于400mL濃度為2 mol/L的冊(cè)14!1&溶液中攪拌64 h，去離子水和乙醇各洗滌I次、70 °C干燥I h得Hipg-C3N4材料。
[0025]將實(shí)施例1制備的Hipg-C3N4材料，經(jīng)傅里葉變換紅外圖譜觀(guān)察，見(jiàn)圖1，從圖中可以看出，1240 cm \ 1321 cm1、1411 cm \ 1564 cm \ 1645 cm \807 cm 1 為 mpg-C 3N4的紅外吸收特征峰；FT-1R表明制備的Hipg-C3N4和g-C 3N4—樣，具有類(lèi)石墨結(jié)構(gòu)。
[0026]實(shí)施例2 如圖5所示，一種介孔石墨相氮化碳材料的制備方法，包括以下步驟:
(1)稱(chēng)取30g納米膠態(tài)S12放入10 g濃度為50 wt%的單氰胺水溶液中，在室溫下攪拌2 h使其混合充分；
(2)將步驟(I)的混合液靜置，去除上層清液后置于烘箱中501:干燥得白色固體；
(3)將步驟(2)得到的白色固體研細(xì)，置于馬弗爐中550°C煅燒4 h后研磨得淡黃色粉末；
(4)將步驟(3)得到的淡黃色粉末分散于200mL濃度為4 mol/L的見(jiàn)14!1&溶液中攪拌48 h，去離子水和乙醇各洗滌2次、50 °C干燥2 h得Hipg-C3N4材料。
[0027]將實(shí)施例2的方法制備的材料，經(jīng)X-射線(xiàn)衍射儀掃描后，見(jiàn)圖2，制備的Hipg-C3N4和g_C3N4—樣,具有類(lèi)石墨結(jié)構(gòu)。
[0028]將實(shí)施例2的方法制備的Hipg-C3N4材料，經(jīng)透射電子顯微鏡觀(guān)察，見(jiàn)圖3，制備的材料為同時(shí)具有層狀結(jié)構(gòu)和蠕蟲(chóng)狀孔結(jié)構(gòu)的Hipg-C3N4。
[0029]所制備Hipg-C3N4材料的性能測(cè)試如下:取實(shí)施例2制備的mpg-C 3N4材料0.2g和0.98 g高氯酸銨(AP) —起加入無(wú)水乙醇中攪拌,混合均勻,干燥后取樣9-10 mg測(cè)試DTA,測(cè)試條件:氬氣氣氛，流量:20 ml/min，升溫速率10 °C/min，溫度范圍:100-500 °C。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖4，高溫分解溫度為337.8 V。同樣，取普通方法制備的g_C3N4材料0.2g和0.98g高氯酸銨(AP) —起加入無(wú)水乙醇中攪拌,混合均勻,干燥后取樣9-10 mg測(cè)試DTA，測(cè)試條件:氬氣氣氛，流量:20 ml/min，升溫速率10 °C/min，溫度范圍:100-500 °C。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖4，高溫分解溫度為394.2 °C。說(shuō)明本方法制備出的介孔石墨相氮化碳Oiipg-C3N4)與一般的塊狀g_C3N4相比，對(duì)高氯酸銨的催化分解具有更好的催化效果，使AP在更低的溫度下分解。
[0030]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變形，這些改進(jìn)和變形也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種介孔石墨相氮化碳材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)將納米膠態(tài)二氧化硅放入單氰胺水溶液中，室溫?cái)嚢?，使其混合充分? (2)將步驟(I)的混合液靜置，去除上層清液后置于烘箱中干燥得白色固體； (3)將步驟(2)得到的白色固體研細(xì)，置于馬弗爐中煅燒后研磨得淡黃色粉末； (4)將步驟(3)得到的淡黃色粉末分散于NH4HF2溶液中攪拌，去離子水和乙醇洗滌、干燥得mpg-C3N4材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種介孔石墨相氮化碳材料的制備方法，其特征在于:步驟(I)中單氰胺水溶液為5~15 g，納米膠態(tài)二氧化硅為10~40 g0
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種介孔石墨相氮化碳材料的制備方法，其特征在于:步驟(I)中攪拌時(shí)間為2~4 ho
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種介孔石墨相氮化碳材料的制備方法，其特征在于:步驟(2)中干燥溫度為40~70 °C。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種介孔石墨相氮化碳材料的制備方法，其特征在于:步驟(3)中煅燒溫度為400~600 °C，時(shí)間為3~6 h。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種介孔石墨相氮化碳材料的制備方法，其特征在于:步驟(4)中NH4HF2溶液的濃度為2~5 mol/L。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種介孔石墨相氮化碳材料的制備方法，其特征在于:步驟(4)中NH4HF2溶液的用量為300~800 mL。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種介孔石墨相氮化碳材料的制備方法，其特征在于:步驟(4)中攪拌時(shí)間為48~64 ho
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種介孔石墨相氮化碳材料的制備方法，其特征在于:步驟(4)中洗滌次數(shù)為1~4次。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種介孔石墨相氮化碳材料的制備方法，其特征在于:步驟(4)中干燥溫度為40~70 °C，時(shí)間為I?3 h。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種介孔石墨相氮化碳材料的制備方法。該材料以單氰胺水溶液為原料，納米膠態(tài)SiO2為模板，采用硬模板法制備而成。制備步驟如下：將納米膠態(tài)氧化SiO2加入單氰胺水溶液中，攪拌均勻后干燥煅燒得淡黃色粉末，將上述粉末置于NH4HF2溶液中攪拌除去SiO2模板，完成后洗滌、干燥得到介孔石墨相氮化碳(mpg-C3N4)材料。本發(fā)明制備出的介孔石墨相氮化碳(mpg-C3N4)材料與一般的塊狀石墨相氮化碳(g-C3N4)材料相比，具有更大的比表面積，從而對(duì)高氯酸銨的熱分解表現(xiàn)出更好的催化效果；本發(fā)明的制備方法，工藝操作簡(jiǎn)單，原料來(lái)源廣泛，制備效率高。
【IPC分類(lèi)】C01B21-082
【公開(kāi)號(hào)】CN104692344
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510083075
【發(fā)明人】談玲華, 徐建華, 寇波, 杭祖圣, 王善斌, 顏松, 周家明
【申請(qǐng)人】南京工程學(xué)院
【公開(kāi)日】2015年6月10日
【申請(qǐng)日】2015年2月15日