本發(fā)明涉及半導(dǎo)體材料的制備，特別涉及一種多孔g-C3N4棒的制備方法。
背景技術(shù)：
近年來，類石墨狀氮化碳(g-C3N4)作為一種新型的可見光催化材料越來越受到廣泛關(guān)注。不同于傳統(tǒng)的紫外光激發(fā)的TiO2光催化材料，g-C3N4的禁帶寬度為2.7eV(導(dǎo)帶和價(jià)帶的位置分別-1.1eV和+1.6eV)，使其在可見光區(qū)也具有催化活性。此外，g-C3N4由地球上儲量最為豐富的兩種化學(xué)元素C和N組成，無毒害且制備成本低廉。因此，g-C3N4以其優(yōu)良的半導(dǎo)體特性、高化學(xué)穩(wěn)定性、無毒易制備且成本低廉等優(yōu)點(diǎn)在光催化領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。但是，傳統(tǒng)固相燒結(jié)所制備g-C3N4的比表面積較低，且量子效率也有待提高，限制了g-C3N4作為光催化材料的進(jìn)一步發(fā)展。有研究以NaCl作為模板劑，通過熱處理雙氰胺成功制備出納米帶結(jié)構(gòu)的g-C3N4。由于Na+的影響，使得g-C3N4具有大量氰基，提高其水溶性，極大增加了其對污染物的親和能力。有研究人員通過對固相法制備的g-C3N4在甲醇的作用下進(jìn)行回流3h處理，成功制備出長為0.5～3μm、直徑為100～150nm的g-C3N4納米棒。由于光生載流子能夠在這種結(jié)構(gòu)上快速轉(zhuǎn)移，同原始g-C3N4相比，其光催化活性和光電流響應(yīng)分別提高了1.5和2.0倍。還有研究報(bào)道以二氧化硅球?yàn)槟０鍎?，通過調(diào)節(jié)二氧化硅與氰胺水的質(zhì)量比，制備了具有高比表面積的介孔g-C3N4，有效促進(jìn)了催化劑表面物質(zhì)的傳輸。當(dāng)二氧化硅與氰胺水的質(zhì)量比為0.2時(shí)，介孔g-C3N4的產(chǎn)氫速率高達(dá)149μmol·h-1。
可見，針對傳統(tǒng)固相燒結(jié)所制備g-C3N4存在的量子效率低、光催化活性不高的技術(shù)問題，對g-C3N4顆粒形貌進(jìn)行控制已成為提高材料比表面積、增加其量子效率的重要途徑，這也是當(dāng)前該領(lǐng)域技術(shù)創(chuàng)新的熱點(diǎn)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種多孔g-C3N4棒的制備方法。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的解決方案是：
提供一種多孔g-C3N4棒的制備方法，包括以下步驟：
步驟A：將單氰胺置于剛玉坩堝舟中，在管式爐中進(jìn)行燒結(jié)；待冷卻至室溫后，將獲得的黃色聚合產(chǎn)物取出研磨至粉末狀顆粒，得到g-C3N4顆粒；
其中，管式爐的保護(hù)氣氛為氬氣，燒結(jié)時(shí)控制升溫速率為2～10℃/min，保溫溫度為500～600℃，保溫時(shí)間3～10h；
步驟B：將g-C3N4顆粒按15wt％的固含量分散于去離子水中，攪拌5～25min后，加入氨水調(diào)節(jié)pH值至6～11；繼續(xù)攪拌30～60min后，將混合溶液移至反應(yīng)釜中進(jìn)行水熱反應(yīng)，水熱反應(yīng)的溫度為140～170℃，時(shí)間為12～24h；將所得沉淀離心后，先用去離子水洗滌三次，再用無水乙醇洗滌三次；最后在60℃干燥，獲得g-C3N4棒；
步驟C：將g-C3N4棒分散于溶劑中得到分散體系，超聲處理1h；在攪拌下向分散體系中滴加H2SO4水溶液后，持續(xù)攪拌18h；在密閉條件下進(jìn)行水浴攪拌處理后，再移至反應(yīng)釜中進(jìn)行水熱反應(yīng)；將水熱反應(yīng)得到的沉淀先用去離子水洗滌三次，再用無水乙醇洗滌三次；最后在60℃烘干，得到多孔g-C3N4棒；
其中，g-C3N4棒在溶劑中的固含量為0.2～0.5％；控制H2SO4水溶液的滴加量使得H2SO4與g-C3N4棒的摩爾比為3:1～1:1；水浴攪拌處理的溫度為60～90℃，時(shí)間為2～5h；水熱反應(yīng)溫度為140～170℃，時(shí)間為12～24h。
2、根據(jù)權(quán)利要求1中所述的制備方法，其特征在于，所述步驟A中，研磨是采用球磨工藝：球料比30:1，球磨速率200轉(zhuǎn)/min，球磨時(shí)間4h。
3、根據(jù)權(quán)利要求1中所述的制備方法，其特征在于，所述步驟B中，氨水的摩爾濃度為1～4mol/L。
4、根據(jù)權(quán)利要求1中所述的制備方法，其特征在于，所述步驟C中，用于分散的溶劑是去離子水或無水乙醇。
本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)原理：
首先采用氨水對g-C3N4塊體進(jìn)行水熱處理，使g-C3N4在高溫水熱條件下形成棒狀形貌，從而增大g-C3N4的比表面積。然后，以超聲處理后的g-C3N4棒為原料，以硫酸溶液為改性劑，通過高溫水熱，在質(zhì)子化作用下，使g-C3N4棒上出現(xiàn)多孔結(jié)構(gòu)，使其比表面積進(jìn)一步提升，同時(shí)增加表面活性位點(diǎn)，提高量子效率。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：
采用一種簡單的無模板法制備得到多孔結(jié)構(gòu)的棒狀g-C3N4，避免了傳統(tǒng)模板法繁瑣、不環(huán)保的制備工藝。解決了塊狀g-C3N4比表面積小、表面活性位點(diǎn)少、量子效率低的缺陷，提高其光催化性能。
附圖說明
圖1為多孔g-C3N4棒的掃描電鏡照片(表觀形貌照片)。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述：
多孔g-C3N4棒的制備方法，包括如下步驟：
步驟A：將單氰胺置于剛玉坩堝舟中，并放置于管式爐中進(jìn)行燒結(jié)。待冷卻至室溫后將獲得的黃色聚合產(chǎn)物取出研磨至粉末狀顆粒，得到g-C3N4顆粒。
其中，管式爐的保護(hù)氣氛為氬氣，燒結(jié)機(jī)制為升溫至500～600℃并保溫3～10h。升溫速率為2～10℃/min。
步驟B：將g-C3N4顆粒按15wt％的固含量分散于去離子水，攪拌一段時(shí)間后加入氨水調(diào)節(jié)pH值；再次攪拌一段時(shí)間后將混合溶液移至反應(yīng)釜中進(jìn)行水熱處理。最后將水熱反應(yīng)所得沉淀離心，先用去離子水洗滌三次，再用無水乙醇洗滌三次，然后在60℃干燥，獲得g-C3N4棒。
其中，第一次攪拌的時(shí)間為5～25min；氨水的摩爾濃度為1～4mol/L；調(diào)pH值至6～11；第二次攪拌的時(shí)間為30～60min；水熱反應(yīng)的溫度為140～170℃，時(shí)間為12～24h。
步驟C：將得到的g-C3N4棒分散于溶劑中得到分散體系，經(jīng)超聲1h后在攪拌條件下向該分散體系中滴加H2SO4水溶液并持續(xù)攪拌18h；隨后在密閉條件下進(jìn)行水浴攪拌處理；持續(xù)一段時(shí)間后將其移至反應(yīng)釜中進(jìn)行水熱處理；最后將水熱處理得到的沉淀先用去離子水洗滌三次，再用無水乙醇洗滌三次，60℃烘干后得到多孔g-C3N4棒。
其中，g-C3N4棒在溶劑中的固含量為0.2～0.5％；H2SO4與g-C3N4棒的摩爾比為3:1～1:1；水浴熱處理的溫度為60～90℃，時(shí)間為2～5h；水熱反應(yīng)溫度為140～170℃，時(shí)間為12～24h。
下面的實(shí)施例可以使本專業(yè)的專業(yè)技術(shù)人員更全面地理解本發(fā)明，但不以任何方式限制本發(fā)明。
分別通過8個(gè)實(shí)施例成功制得多孔g-C3N4棒，各實(shí)施例中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)見下表1。
表1實(shí)施例數(shù)據(jù)表
最后，還需要注意的是，以上列舉的僅是本發(fā)明的具體實(shí)施例子。顯然，本發(fā)明不限于以上實(shí)施例子，還可以有許多變形。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能從本發(fā)明公開的內(nèi)容直接導(dǎo)出或聯(lián)想到的所有變形，均應(yīng)認(rèn)為是本發(fā)明的保護(hù)范圍。