一种介孔石墨相氮化碳材料的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种介孔石墨相氮化碳(mpg-C3N4)材料的制备方法,属于材料制备及含能材料领域。
【背景技术】
[0002]类石墨状氮化碳(g_C3N4)因其特殊的物理化学性能，引起科研工作者的广泛关注，在光催化、太阳能利用、环境保护、多相催化等领域有广阔的应用前景，被认为是可代替传统碳质材料的新型多功能材料。然而，g-C3N4材料的孔结构和比表面积极大影响其性能，一般来说，g_C3N4的比表面越高，提供的活性点越多，催化性能越好。采用传统方法制备的g-C3N4大都呈层块状，比表面积较小、片层厚度较大，从而限制了 g_C3N4的应用。通过硬模板法制备的介孔石墨相氮化碳(mpg-C3N4)材料,材料中富含的2-50 nm的介孔结构,具有大的比表面积，同时，Hipg-C3N4的电子结构特征可促进催化反应过程中的电子转移，对反应中的传质扩散起到促进作用，从而表现出更好的催化效果。
[0003]高氯酸铵(AP)是复合推进剂中的高能组分，它在推进剂中占大约60%的比例，其热分解特性与推进剂的燃烧性能密切相关，通过研究催化剂对AP热分解的催化作用可推测推进剂的燃烧性能。研究表明，碳材料对高氯酸铵(AP)的热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】米用硝硫混酸对氧化石墨烯进行硝化制备了硝化氧化石墨烯(NGO)，使高氯酸铵的高温分解温度降至326 °C;崔等【崔平，等.火炸药学报，2006，29，25】通过溶剂蒸发法制备了碳纳米管(CNTs)/AP复合粒子，将高氯酸铵的高温分解温度降低了 113.9 °C。基于以上分析，本发明采用硬模板法制备的介孔石墨相氮化碳(mpg-C3N4),对高氯酸铵(AP)的热分解有更好的催化作用。
【发明内容】
[0004]为解决现有技术的不足，本发明的目的在于，提供一种介孔石墨相氮化碳材料的制备方法，为制备特定形貌的类石墨相氮化碳(g-C3N4)材料提供一种新的方法；以此法制备出的介孔石墨相氮化碳(mpg-C3N4)材料与一般的块状g_C3N4材料相比，mpg-C3N4材料具有更大的比表面积，从而对高氯酸铵的热分解表现出更佳的催化效果。
[0005]本发明提供了一种介孔石墨相氮化碳材料的制备方法，包括以下步骤:
(1)将纳米胶态二氧化硅放入单氰胺水溶液中，室温搅拌，使其混合充分；
(2)将步骤(I)的混合液静置，去除上层清液后置于烘箱中干燥得白色固体；
(3)将步骤(2)得到的白色固体研细，置于马弗炉中煅烧后研磨得淡黄色粉末；
(4)将步骤(3)得到的淡黄色粉末分散于NH4HF2溶液中搅拌，去离子水和乙醇洗涤、干燥得mpg-C3N4材料。
[0006]所述步骤(I)中单氰胺水溶液为5~15 g，纳米胶态二氧化硅为10~40 g。
[0007]所述步骤(I)中搅拌时间为2~4 h。
[0008]所述步骤(2 )中干燥温度为40~70 V。
[0009]所述步骤(3)中煅烧温度为400~600 °C，时间为3~6 h。
[0010]所述步骤(4)中NH4HF2溶液的浓度为2~5 mol/L。
[0011]所述步骤(4)中NH4HF2溶液的用量为100~400 mL。
[0012]所述步骤(4)中搅拌时间为48~64 h。
[0013]所述步骤(4)中洗涤次数为1~4次。
[0014]所述步骤(4)中干燥温度为40~70 °C，时间为I?3 h。
[0015]本发明与现有技术相比，具有以下的有益效果:
(I)采用本方法制备的Hipg-C3N4与一般的块状g-C 3N4相比，具有更大的比表面积，提供了更多地活性点，有效提高了催化高氯酸铵(AP)热分解的活性。
[0016](2)采用本方法制备的Hipg-C3N4材料应用于催化高氯酸铵(AP)的热分解，拓宽了g_C3N4的应用领域，同时也为高氯酸铵(AP)的催化分解找到了一种新型高效催化剂。
[0017](3)本方法原料来源广泛，制备工艺简单，适合工业化大规模生产，在含能材料领域具有很高的应用前景和实用价值。
【附图说明】
[0018]图1为实施例1制备的Hipg-C3N4的FT-1R曲线。
[0019]图2为实施例2制备的Hipg-C3N4的XRD曲线。
[0020]图3为实施例2制备的Hipg-C3N4的TEM图片。
[0021 ] 图4为块状g_C3N4和实施例2制备的mpg-C 3N4催化高氯酸铵热分解的性能测试曲线。
[0022]图5为本发明一种Hipg-C3N4材料的制备方法流程图。
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0024]实施例1
如图5所示，一种介孔石墨相氮化碳材料的制备方法，包括以下步骤:
(1)称取10g纳米胶态S12放入5 g浓度为50 wt%的单氰胺水溶液中，在室温下搅拌4 h使其混合充分；
(2)将步骤(I)的混合液静置，去除上层清液后置于烘箱中601:干燥得白色固体；
(3)将步骤(2)得到的白色固体研细，置于马弗炉中500°C煅烧6 h后研磨得淡黄色粉末；
(4)将步骤(3)得到的淡黄色粉末分散于400mL浓度为2 mol/L的册14!1&溶液中搅拌64 h，去离子水和乙醇各洗涤I次、70 °C干燥I h得Hipg-C3N4材料。
[0025]将实施例1制备的Hipg-C3N4材料，经傅里叶变换红外图谱观察，见图1，从图中可以看出，1240 cm \ 1321 cm1、1411 cm \ 1564 cm \ 1645 cm \807 cm 1 为 mpg-C 3N4的红外吸收特征峰；FT-1R表明制备的Hipg-C3N4和g-C 3N4—样，具有类石墨结构。
[0026]实施例2 如图5所示，一种介孔石墨相氮化碳材料的制备方法，包括以下步骤:
(1)称取30g纳米胶态S12放入10 g浓度为50 wt%的单氰胺水溶液中，在室温下搅拌2 h使其混合充分；
(2)将步骤(I)的混合液静置，去除上层清液后置于烘箱中501:干燥得白色固体；
(3)将步骤(2)得到的白色固体研细，置于马弗炉中550°C煅烧4 h后研磨得淡黄色粉末；
(4)将步骤(3)得到的淡黄色粉末分散于200mL浓度为4 mol/L的见14!1&溶液中搅拌48 h，去离子水和乙醇各洗涤2次、50 °C干燥2 h得Hipg-C3N4材料。
[0027]将实施例2的方法制备的材料，经X-射线衍射仪扫描后，见图2，制备的Hipg-C3N4和g_C3N4—样,具有类石墨结构。
[0028]将实施例2的方法制备的Hipg-C3N4材料，经透射电子显微镜观察，见图3，制备的材料为同时具有层状结构和蠕虫状孔结构的Hipg-C3N4。
[0029]所制备Hipg-C3N4材料的性能测试如下:取实施例2制备的mpg-C 3N4材料0.2g和0.98 g高氯酸铵(AP) —起加入无水乙醇中搅拌,混合均勻,干燥后取样9-10 mg测试DTA,测试条件:氩气气氛，流量:20 ml/min，升温速率10 °C/min，温度范围:100-500 °C。测试结果见图4，高温分解温度为337.8 V。同样，取普通方法制备的g_C3N4材料0.2g和0.98g高氯酸铵(AP) —起加入无水乙醇中搅拌,混合均匀,干燥后取样9-10 mg测试DTA，测试条件:氩气气氛，流量:20 ml/min，升温速率10 °C/min，温度范围:100-500 °C。测试结果见图4，高温分解温度为394.2 °C。说明本方法制备出的介孔石墨相氮化碳Oiipg-C3N4)与一般的块状g_C3N4相比，对高氯酸铵的催化分解具有更好的催化效果，使AP在更低的温度下分解。
[0030]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种介孔石墨相氮化碳材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)将纳米胶态二氧化硅放入单氰胺水溶液中，室温搅拌，使其混合充分； (2)将步骤(I)的混合液静置，去除上层清液后置于烘箱中干燥得白色固体； (3)将步骤(2)得到的白色固体研细，置于马弗炉中煅烧后研磨得淡黄色粉末； (4)将步骤(3)得到的淡黄色粉末分散于NH4HF2溶液中搅拌，去离子水和乙醇洗涤、干燥得mpg-C3N4材料。
2.根据权利要求1所述一种介孔石墨相氮化碳材料的制备方法，其特征在于:步骤(I)中单氰胺水溶液为5~15 g，纳米胶态二氧化硅为10~40 g0
3.根据权利要求1所述一种介孔石墨相氮化碳材料的制备方法，其特征在于:步骤(I)中搅拌时间为2~4 ho
4.根据权利要求1所述一种介孔石墨相氮化碳材料的制备方法，其特征在于:步骤(2)中干燥温度为40~70 °C。
5.根据权利要求1所述一种介孔石墨相氮化碳材料的制备方法，其特征在于:步骤(3)中煅烧温度为400~600 °C，时间为3~6 h。
6.根据权利要求1所述一种介孔石墨相氮化碳材料的制备方法，其特征在于:步骤(4)中NH4HF2溶液的浓度为2~5 mol/L。
7.根据权利要求1所述一种介孔石墨相氮化碳材料的制备方法，其特征在于:步骤(4)中NH4HF2溶液的用量为300~800 mL。
8.根据权利要求1所述一种介孔石墨相氮化碳材料的制备方法，其特征在于:步骤(4)中搅拌时间为48~64 ho
9.根据权利要求1所述一种介孔石墨相氮化碳材料的制备方法，其特征在于:步骤(4)中洗涤次数为1~4次。
10.根据权利要求1所述一种介孔石墨相氮化碳材料的制备方法，其特征在于:步骤(4)中干燥温度为40~70 °C，时间为I?3 h。
【专利摘要】本发明公开了一种介孔石墨相氮化碳材料的制备方法。该材料以单氰胺水溶液为原料，纳米胶态SiO2为模板，采用硬模板法制备而成。制备步骤如下：将纳米胶态氧化SiO2加入单氰胺水溶液中，搅拌均匀后干燥煅烧得淡黄色粉末，将上述粉末置于NH4HF2溶液中搅拌除去SiO2模板，完成后洗涤、干燥得到介孔石墨相氮化碳(mpg-C3N4)材料。本发明制备出的介孔石墨相氮化碳(mpg-C3N4)材料与一般的块状石墨相氮化碳(g-C3N4)材料相比，具有更大的比表面积，从而对高氯酸铵的热分解表现出更好的催化效果；本发明的制备方法，工艺操作简单，原料来源广泛，制备效率高。
【IPC分类】C01B21-082
【公开号】CN104692344
【申请号】CN201510083075
【发明人】谈玲华, 徐建华, 寇波, 杭祖圣, 王善斌, 颜松, 周家明
【申请人】南京工程学院
【公开日】2015年6月10日
【申请日】2015年2月15日