一种氮化碳-水滑石异质材料及其制备方法和应用与流程

一种氮化碳
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水滑石异质材料及其制备方法和应用
技术领域
1.本发明属于光催化材料技术领域，具体涉及一种氮化碳
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水滑石异质材料及其制备方法和应用。


背景技术：

2.在过去的几十年里，我国经济取得了突飞猛进的进展。随着现代工业经济的发展，能源资源逐渐减少乃至枯竭，环境污染日益严重。能源短缺和环境恶化是21世纪人类面临和亟待解决的重大问题。因此，开发利用可再生新能源和控制治理环境污染对发展国民经济、实现战略具有重大的意义。自从fujishima和honda在1972年发现可以在n型半导体tio2电极上发生水的光电催化分解反应以来，开辟了半导体光催化这一新领域。由于光催化可在室温下充分利用太阳光，具有低成本和无污染的优点，成为解决能源和环境问题的重要措施，引起学术界的广泛关注。
3.尽管做了很多努力，但是，目前光催化的效率还不能达到实际应用的水平。光相应范围较弱、比表面积不足和光生电子空穴复合严重都限制了光催化领域前进的步伐。为了解决这些问题，本发明通过一种原位水热合成的方法制备了氮化碳
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水滑石(cn
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ldh)异质材料。所合成的氮化碳
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水滑石的异质结构具有优异的分解水析氢性能，并且具有良好的稳定性。


技术实现要素：

4.针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于设计提供一种氮化碳
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水滑石异质材料及其制备方法和应用。本发明采用了一种原位水热合成的方法制备高效光催化反应的氮化碳
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水滑石(cn
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ldh)异质材料，即首先通过三聚氰胺和亚磷酸自组装和高温煅烧的方法合成了具有空心六方管结构的cn，其次通过水热的方法在空心六方管cn上原位生长了一层ldh纳米片原位合成了氮化碳
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水滑石核壳结构。本发明方法简单易操作，成本低。本发明通过原位水热合成方法制备用于光催化产氢的氮化碳
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水滑石材料的方法，合成了具有高效光催化析氢性能的氮化碳
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水滑石材料，解决了光催化析氢反应中效率低的问题。
5.一种氮化碳
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水滑石异质材料，其特征在于所述氮化碳
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水滑石异质材料是通过三聚氰胺和亚磷酸自组装和高温煅烧方法合成具有空心六方管结构的cn，再以水热方法在cn上原位生长一层ldh纳米片原位合成的。
6.所述的一种氮化碳
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水滑石异质材料，其特征在于所述三聚氰胺与亚磷酸固体的质量比为1:0.8～1.2。
7.所述的一种氮化碳
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水滑石异质材料，其特征在于所述氮化碳
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水滑石异质材料为氮化碳
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水滑石核壳结构。
8.一种所述的氮化碳
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水滑石异质材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
9.(1)将三聚氰胺加入40～90℃蒸馏水中，同时搅拌30
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90min后加入亚磷酸固体，继续搅拌15
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90min；
10.(2)转移至反应釜中，进行加热后保温，进行离心后干燥，得到前驱体；
11.(3)将步骤(2)得到的前驱体放入蒸馏水中，加入镍盐和铬盐后搅拌60
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180min，再加入尿素和表面活性剂，继续搅拌10
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40min；
12.(4)转移至反应釜中，进行加热后保温，进行离心后干燥，得到氮化碳
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水滑石异质材料。
13.所述的制备方法，其特征在于所述步骤(1)中蒸馏水和三聚氰胺的体积比为70
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80:0.72，三聚氰胺与固体亚磷酸的质量比为1:0.8～1.2。
14.所述的制备方法，其特征在于所述步骤(2)中加热温度至150
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200℃，保温时间5
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15h，离心条件为：转速2000
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6000r/min，离心时间2
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10min，干燥条件为：干燥温度40
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80℃，干燥时间6
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12h。
15.所述的制备方法，其特征在于所述步骤(3)中蒸馏水和前驱体的质量比40
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60:0.1，前驱体和镍盐的质量比为0.01:0.058
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0.29，镍盐与铬盐的摩尔比为1
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3:1
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3，尿素、表面活性剂与前驱体的质量比为1
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3:0.2
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0.8:0.1。
16.所述的制备方法，其特征在于所述步骤(3)中镍盐包括溴化镍、硝酸镍和氯化镍，铬盐包括醋酸铬、硝酸铬和氯化铬。
17.所述的制备方法，其特征在于所述步骤(4)中加热温度至80
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160℃，保温时间10
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20h，干燥条件为：干燥温度40
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80℃，干燥时间6
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12h。
18.所述的氮化碳
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水滑石异质材料在光催化分解水析氢中的应用。
19.本发明与现有技术相比具有的显著效果，具体如下：
20.1)本发明制备的氮化碳
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水滑石异质结构具有独特的分级结构，具有独特的中空管状结构。
21.2)本发明合成方法简单易操作，成本低。所合成的氮化碳
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水滑石的异质结构具有优异良好的分解水析氢性能。
附图说明
22.图1为实施例1所得超分子前躯体的扫描电子显微镜图像；
23.图2为实施例1所得氮化碳
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水滑石纳米材料的扫描电子显微镜图像；
24.图3为实施例2所得氮化碳
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水滑石纳米材料的扫描电子显微镜图像；
25.图4为实施例2所得氮化碳
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水滑石纳米材料的投射电子显微镜图像；
26.图5为实施例3所得氮化碳
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水滑石纳米材料的扫描电子显微镜图像；
27.图6为实施例1、2和3所得氮化碳
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水滑石纳米材料光催化性能；
28.图7为实施例4所得氮化碳
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水滑石纳米材料的扫描电子显微镜图像；
29.图8为实施例5所得氮化碳
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水滑石纳米材料的扫描电子显微镜图像。
具体实施方式
30.下面结合具体实施例并对照附图对本发明作进一步详细说明。
31.实施例1：
32.本实施例的一种水热法制备用于光催化产氢的氮化碳
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水滑石异质结构的方法，具体是按以下步骤进行：
33.1)在80℃搅拌的情况下，将1g的三聚氰胺加入70倍体积的蒸馏水中，搅拌60min后加入1.2g的固体亚磷酸，继续搅拌60min；
34.2)将步骤1)得到的溶液转移至反应釜中，在烘箱里进行加热，加热温度为180℃，保温时间为10h；
35.3)将步骤2)中所得到的产物进行离心，转速为4000r/min，离心时间为3min；
36.4)将步骤3)中得到的产物放到干燥箱中干燥，干燥温度为60℃，干燥时间为10h，得到前驱体；
37.5)将步骤4)中得到的前驱体(0.1g)加入到40ml蒸馏水中，随后，加入0.4mmol硝酸镍和0.2mmol硝酸铬，其中镍盐和铬盐的摩尔比为2:1，搅拌120min；
38.6)向步骤5)中得到的混合溶液中加入1.5g尿素和0.4g表面活性剂，搅拌30min；
39.7)将步骤6)溶液转移到反应釜中，在烘箱里进行加热，加热温度为120℃，保温时间为10h；
40.8)将步骤7)中得到的产物进行离心并放到干燥箱中进行干燥，干燥温度为60℃，干燥时间为10h，得到氮化碳
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水滑石异质结构。
41.如图1所示，三聚氰胺和固体亚磷酸自组装得到的前驱体的扫描电子显微镜图像，从图1中可以看出它具有中空管状的结构。该实施例所得的氮化碳
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水滑石的扫描电子显微镜图像如图2所示，可以看出，ldh插在了管的表面形成了一种紧密连接的异质结。本实例所得的氮化碳
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水滑石异质材料的光催化性能如图6中1号所示。
42.实施例2：
43.本实施例的一种水热法制备用于光催化产氢的氮化碳
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水滑石异质结构的方法，具体是按以下步骤进行：
44.1)在80℃搅拌的情况下，将1g的三聚氰胺加入80倍体积的蒸馏水中，搅拌60min后加入1.2g的固体亚磷酸，继续搅拌60min；
45.2)将步骤1)得到的溶液转移至反应釜中，在烘箱里进行加热，加热温度为180℃，保温时间为10h；
46.3)将步骤2)中所得到的产物进行离心，转速为4000r/min，离心时间为3min；
47.4)将步骤3)中得到的产物放到干燥箱中干燥，干燥温度为60℃，干燥时间为10h，得到前驱体；
48.5)将步骤4)中得到的前驱体(0.1g)加入到40ml蒸馏水中，随后，加入0.8mmol硝酸镍和0.4mmol硝酸铬，其中镍盐和铬盐的摩尔比为2:1，搅拌120min；
49.6)向步骤5)中得到的混合溶液中加入1.5g尿素和0.4g表面活性剂，搅拌30min；
50.7)将步骤6)溶液转移到反应釜中，在烘箱里进行加热，加热温度为120℃，保温时间为10h；
51.8)将步骤7)中得到的产物进行离心并放到干燥箱中进行干燥，干燥温度为60℃，干燥时间为10h，得到氮化碳
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水滑石异质结构。
52.图3和图4分别为本实例所得的氮化碳
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水滑石异质材料的扫描电子显微镜和投射电子显微镜，从图3和4中可以看出ldh纳米片均匀的分布在cn管的表面形成一种紧密的异质结，有助于提高光生电荷的分离。本实例所得的氮化碳
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水滑石异质材料的光催化性能如图6中2号所示，大大提高了光催化的性能。
53.实施例3：
54.本实施例的一种水热法制备用于光催化产氢的氮化碳
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水滑石异质结构的方法，具体是按以下步骤进行：
55.1)在80℃搅拌的情况下，将1g的三聚氰胺加入80倍体积的蒸馏水中，搅拌60min后加入1.2g的固体亚磷酸，继续搅拌60min；
56.2)将步骤1)得到的溶液转移至反应釜中，在烘箱里进行加热，加热温度为180℃，保温时间为10h；
57.3)将步骤2)中所得到的产物进行离心，转速为4000r/min，离心时间为3min；
58.4)将步骤3)中得到的产物放到干燥箱中干燥，干燥温度为60℃，干燥时间为10h，得到前驱体；
59.5)将步骤4)中得到的前驱体(0.1g)加入到40ml蒸馏水中，随后，加入1mmol硝酸镍和0.5mmol硝酸铬，其中镍盐和铬盐的摩尔比为2:1，搅拌120min；
60.6)向步骤5)中得到的混合溶液中加入1.5g尿素和0.4g表面活性剂，搅拌30min；
61.7)将步骤6)溶液转移到反应釜中，在烘箱里进行加热，加热温度为120℃，保温时间为10h；
62.8)将步骤7)中得到的产物进行离心并放到干燥箱中进行干燥，干燥温度为60℃，干燥时间为10h，得到氮化碳
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水滑石异质结构。
63.如图5所示为本实例所得的氮化碳
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水滑石异质材料的扫描电子显微镜图像。图6中3号是本实例所得氮化碳
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水滑石异质结构的光催化产氢性能图。
64.实施例4：
65.本实施例的一种水热法制备用于光催化产氢的氮化碳
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水滑石异质结构的方法，具体是按以下步骤进行：
66.1)在80℃搅拌的情况下，将1g的三聚氰胺加入80倍体积的蒸馏水中，搅拌60min后加入1.2g的固体亚磷酸，继续搅拌60min；
67.2)将步骤1)得到的溶液转移至反应釜中，在烘箱里进行加热，加热温度为180℃，保温时间为10h；
68.3)将步骤2)中所得到的产物进行离心，转速为4000r/min，离心时间为3min；
69.4)将步骤3)中得到的产物放到干燥箱中干燥，干燥温度为60℃，干燥时间为10h，得到前驱体；
70.5)将步骤4)中得到的前驱体(0.1g)加入到40ml蒸馏水中，随后，加入0.8mmol硝酸镍和0.4mmol硝酸铬，其中镍盐和铬盐的摩尔比为2:1，搅拌120min；
71.6)向步骤5)中得到的混合溶液中加入2g尿素和0.4g表面活性剂，搅拌30min；
72.7)将步骤6)溶液转移到反应釜中，在烘箱里进行加热，加热温度为150℃，保温时间为10h；
73.8)将步骤7)中得到的产物进行离心并放到干燥箱中进行干燥，干燥温度为60℃，干燥时间为10h，得到氮化碳
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水滑石异质结构。
74.如图7所示为本实例所得氮化碳
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水滑石的扫描电子显微镜图，由于加热温度的提高，cn管有些碎裂的状态，但ldh还是可以分布在cn管上。
75.实施例5：
76.本实施例的一种水热法制备用于光催化产氢的氮化碳
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水滑石异质结构的方法，具体是按以下步骤进行：
77.1)在80℃搅拌的情况下，将1g的三聚氰胺加入80倍体积的蒸馏水中，搅拌60min后加入1.2g的固体亚磷酸，继续搅拌60min；
78.2)将步骤1)得到的溶液转移至反应釜中，在烘箱里进行加热，加热温度为180℃，保温时间为10h；
79.3)将步骤2)中所得到的产物进行离心，转速为4000r/min，离心时间为3min；
80.4)将步骤3)中得到的产物放到干燥箱中干燥，干燥温度为60℃，干燥时间为10h，得到前驱体；
81.5)将步骤4)中得到的前驱体(0.1g)加入到40ml蒸馏水中，随后，加入0.8mmol硝酸镍和0.4mmol硝酸铬，其中镍盐和铬盐的摩尔比为2:1，搅拌120min；
82.6)向步骤5)中得到的混合溶液中加入2g尿素和0.4g表面活性剂，搅拌30min；
83.7)将步骤6)溶液转移到反应釜中，在烘箱里进行加热，加热温度为120℃，保温时间为20h；
84.8)将步骤7)中得到的产物进行离心并放到干燥箱中进行干燥，干燥温度为60℃，干燥时间为10h，得到氮化碳
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水滑石异质结构。
85.本实例所得的氮化碳
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水滑石异质结的扫描电子显微镜如图8所示，ldh均匀的插在cn的表面形成紧密连接的异质结构。