氮化碳/二氧化鈦復(fù)合材料及其制備和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種以雙氰胺為原料，通過模板劑的引入，煅燒合成得到多孔的中間產(chǎn)物Melem，經(jīng)過去模板，以及二氧化鈦納米粒子的混合，再經(jīng)過高溫煅燒合成出氮化碳/ 二氧化鈦復(fù)合材料，并將其應(yīng)用于光電轉(zhuǎn)換。
【背景技術(shù)】
[0002]進(jìn)入21世紀(jì)，社會(huì)生產(chǎn)快速發(fā)展，能源快速消耗，能源危機(jī)，環(huán)境污染問題亟待解決，諸多事實(shí)促使人們開始尋找可持續(xù)性的清潔再生能源，如太陽能，風(fēng)能，地?zé)崮?，潮汐能，核能等。在這些新能源中，作為近乎可無限利用的綠色可再生能源，太陽能被認(rèn)為是傳統(tǒng)化石染料最為理想的替代品之一，因而如何有效地開發(fā)和利用太陽能也是本世紀(jì)人們關(guān)注的熱點(diǎn)。自2008年碳化氮材料被發(fā)現(xiàn)在可見光照射下能夠光解水制氫以來，碳化氮在光電轉(zhuǎn)換方面的潛力逐漸被挖掘出來。碳化氮是一種高聚物，在可見光催化反應(yīng)方面主要應(yīng)用于光解水及有機(jī)污染物的降解等，其熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性較強(qiáng)，具有相對(duì)較低的帶隙(2.7eV)，但作為無機(jī)高聚物，單純的石墨相氮化碳的導(dǎo)電性又太弱，在光的照射下產(chǎn)生的電子一空穴對(duì)的復(fù)合率高，使得其光電轉(zhuǎn)化和催化效率相對(duì)較低。因此，要提高氮化碳材料的光電轉(zhuǎn)化效率，必須提高其導(dǎo)電性。有報(bào)道表明半導(dǎo)體摻雜的方法可有效改善碳化氮材料的導(dǎo)電性，提高光生電子傳輸速度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]技術(shù)問題:本發(fā)明的目的是提供一種氮化碳/二氧化鈦復(fù)合材料的制備方法，并將其應(yīng)用于光電轉(zhuǎn)換中，提高其光電流信號(hào)，在一定程度上解決了石墨相氮化碳的光電轉(zhuǎn)換效率低的問題。
[0004]技術(shù)方案:一種氮化碳/二氧化鈦復(fù)合材料，以雙氰胺為原料，通過模板劑碳酸鈣納米粒子的引入，煅燒合成得到多孔的中間產(chǎn)物Melem，經(jīng)過去模板，以及二氧化鈦納米粒子的混合，再經(jīng)過高溫煅燒合成出氮化碳/ 二氧化鈦復(fù)合材料。
[0005]所述的氮化碳/二氧化鈦復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟:
[0006]第一步，將前驅(qū)體雙氰胺與模板劑碳酸鈣納米粒子在水中分散攪拌混合均勻，然后離心、水洗、醇洗、干燥得到雙氰胺與碳酸鈣納米粒子的混合物；
[0007]第二步，將雙氰胺與碳酸鈣納米粒子的混合物加熱煅燒得到含模板劑的多孔Melem，用鹽酸溶液腐蝕去除模板，經(jīng)過離心、水洗、醇洗、干燥得到多孔Melem;
[0008]第三步，將得到的多孔Melem用水分散，加入T12納米粒子，超聲混合均勻，然后進(jìn)行離心、水洗、醇洗、干燥后再加熱煅燒得到氮化碳/ 二氧化鈦復(fù)合材料。
[0009]第一步中所述的混合過程具體步驟為:將雙氰胺固體置于潔凈干燥的燒杯中，向其中加入碳酸鈣粉末和二次水混合均勻，常溫下攪拌完成后離心洗滌干燥得到前驅(qū)體與模板劑的均勻混合物。
[0010]第二步中，煅燒時(shí)升溫速率為2?2.3°C/min，目標(biāo)溫度為380?420°C，達(dá)到目標(biāo)溫度后的保溫時(shí)間為3?4h。
[0011]第三步中，分散劑用量為20?30ml，加入的Melem與T12的質(zhì)量比分別為I?10:1。
[0012]第三步中，超聲時(shí)間為3h，離心時(shí)，轉(zhuǎn)速為10000?12000rpm，時(shí)間為15min，冷卻溫度為10?15°C，二次蒸餾水洗滌至離心上層清液為中性，真空干燥溫度為50?60°C，時(shí)間為12h0
[0013]第三步中，煅燒時(shí)升溫速率為2?2.3°C/min，目標(biāo)溫度為520?550°C，達(dá)到目標(biāo)溫度后的保溫時(shí)間為4h。
[0014]所述的氮化碳/二氧化鈦復(fù)合材料在光電轉(zhuǎn)換材料中的應(yīng)用。
[0015]有益效果:本發(fā)明采用模板法制備的氮化碳/二氧化鈦復(fù)合材料作為半導(dǎo)體材料，具有模板易去除、成本低廉、性能優(yōu)異、性質(zhì)穩(wěn)定的特點(diǎn)，是用于光電轉(zhuǎn)化的高性能半導(dǎo)體材料。在增大了石墨相氮化碳比表面積的基礎(chǔ)是上，引入導(dǎo)電性更強(qiáng)的半導(dǎo)體二氧化鈦，使得材料光電流信號(hào)提升。本發(fā)明采用模板法制備氮化碳/二氧化鈦復(fù)合材料，比表面積大，二氧化鈦顆粒分散均勻，導(dǎo)電能力更強(qiáng)，其光電流信號(hào)強(qiáng)度可達(dá)到體相的石墨相氮化碳材料的5.4倍。
【附圖說明】
[0016]圖1為合成氮化碳/二氧化鈦復(fù)合材料的掃描電子顯微鏡(SEM)圖。
[0017]圖2為合成氮化碳/二氧化鈦復(fù)合材料的透射電子顯微鏡(TEM)圖。
[0018]圖3為合成氮化碳/二氧化鈦復(fù)合材料的比表面積測試圖。
[0019]圖4為合成氮化碳/二氧化鈦復(fù)合材料的性能測試圖。由圖4可以看出，隨著Melem與T12比例逐漸增加，材料的光電流強(qiáng)度先逐漸增加，最后逐漸降低。當(dāng)施加外電壓為-
0.2V時(shí)，材料的光電流強(qiáng)度穩(wěn)定在一定值。結(jié)合SEM圖分析，當(dāng)Melem與T12的比例逐漸增加時(shí)，T12在GPPCN表面的密度逐漸減小，從而使得GPPCN能夠接收到更多的可見光照射，產(chǎn)生更多的光生電子和空穴，電子迅速由GPPCN的導(dǎo)帶傳導(dǎo)至T12的導(dǎo)帶，進(jìn)入外電場回路，產(chǎn)生更強(qiáng)的光電流響應(yīng)，因而光電流逐漸增加。當(dāng)繼續(xù)增加Melem與T12的比例時(shí)，由于T12相對(duì)減少，GPPCN接受光照后產(chǎn)生的光生電子數(shù)量增加的比例遠(yuǎn)小于T12導(dǎo)電性降低的比例，故而外電路電流大幅下降，因而光電流強(qiáng)度轉(zhuǎn)而降低。通過對(duì)比可以看出，復(fù)合材料的光電流相對(duì)于體相材料GPPCN提升很明顯。
【具體實(shí)施方式】
[0020]—種氮化碳/ 二氧化鈦復(fù)合材料的制備方法包括以下步驟:
[0021 ] (I)將前驅(qū)體雙氰胺(DCDA)置于潔凈干燥的10mL燒杯中，依次向其中加入模板劑CaCO3粉末，二次水，室溫下連續(xù)攪拌4h。將分散均勻的前驅(qū)物與模板的混合物懸濁液離心除去二次水，并用乙醇離心洗滌三次，將得到的固體60°C真空干燥12h。所述稱取雙氰胺質(zhì)量為1g，加入CaCO3粉末質(zhì)量為2.5g，加入H2O的體積為50ml。所述攪拌時(shí)間為4h.。所述真空干燥溫度為60°C，時(shí)間為12h。
[0022](2)將混合物轉(zhuǎn)移到潔凈干燥的坩禍中，將坩禍置于管式爐中，先通N2半個(gè)小時(shí)，然后加熱煅燒。煅燒完成后用鹽酸去除模板，離心水洗干燥后得到多孔Melem。所述升溫加熱速率為2