氮化碳/二氧化鈦復合材料及其制備和應用
【技術領域】
[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物Melem，經過去模板，以及二氧化鈦納米粒子的混合，再經過高溫煅燒合成出氮化碳/ 二氧化鈦復合材料，并將其應用于光電轉換。
【背景技術】
[0002]進入21世紀，社會生產快速發(fā)展，能源快速消耗，能源危機，環(huán)境污染問題亟待解決，諸多事實促使人們開始尋找可持續(xù)性的清潔再生能源，如太陽能，風能，地熱能，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人們關注的熱點。自2008年碳化氮材料被發(fā)現在可見光照射下能夠光解水制氫以來，碳化氮在光電轉換方面的潛力逐漸被挖掘出來。碳化氮是一種高聚物，在可見光催化反應方面主要應用于光解水及有機污染物的降解等，其熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性較強，具有相對較低的帶隙(2.7eV)，但作為無機高聚物，單純的石墨相氮化碳的導電性又太弱，在光的照射下產生的電子一空穴對的復合率高，使得其光電轉化和催化效率相對較低。因此，要提高氮化碳材料的光電轉化效率，必須提高其導電性。有報道表明半導體摻雜的方法可有效改善碳化氮材料的導電性，提高光生電子傳輸速度。

【發(fā)明內容】

[0003]技術問題:本發(fā)明的目的是提供一種氮化碳/二氧化鈦復合材料的制備方法，并將其應用于光電轉換中，提高其光電流信號，在一定程度上解決了石墨相氮化碳的光電轉換效率低的問題。
[0004]技術方案:一種氮化碳/二氧化鈦復合材料，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物Melem，經過去模板，以及二氧化鈦納米粒子的混合，再經過高溫煅燒合成出氮化碳/ 二氧化鈦復合材料。
[0005]所述的氮化碳/二氧化鈦復合材料的制備方法，包括以下步驟:
[0006]第一步，將前驅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體與模板劑的均勻混合物。
[0010]第二步中，煅燒時升溫速率為2?2.3°C/min，目標溫度為380?420°C，達到目標溫度后的保溫時間為3?4h。
[0011]第三步中，分散劑用量為20?30ml，加入的Melem與T12的質量比分別為I?10:1。
[0012]第三步中，超聲時間為3h，離心時，轉速為10000?12000rpm，時間為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，時間為12h0
[0013]第三步中，煅燒時升溫速率為2?2.3°C/min，目標溫度為520?550°C，達到目標溫度后的保溫時間為4h。
[0014]所述的氮化碳/二氧化鈦復合材料在光電轉換材料中的應用。
[0015]有益效果:本發(fā)明采用模板法制備的氮化碳/二氧化鈦復合材料作為半導體材料，具有模板易去除、成本低廉、性能優(yōu)異、性質穩(wěn)定的特點，是用于光電轉化的高性能半導體材料。在增大了石墨相氮化碳比表面積的基礎是上，引入導電性更強的半導體二氧化鈦，使得材料光電流信號提升。本發(fā)明采用模板法制備氮化碳/二氧化鈦復合材料，比表面積大，二氧化鈦顆粒分散均勻，導電能力更強，其光電流信號強度可達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，材料的光電流強度先逐漸增加，最后逐漸降低。當施加外電壓為-
0.2V時，材料的光電流強度穩(wěn)定在一定值。結合SEM圖分析，當Melem與T12的比例逐漸增加時，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，產生更多的光生電子和空穴，電子迅速由GPPCN的導帶傳導至T12的導帶，進入外電場回路，產生更強的光電流響應，因而光電流逐漸增加。當繼續(xù)增加Melem與T12的比例時，由于T12相對減少，GPPCN接受光照后產生的光生電子數量增加的比例遠小于T12導電性降低的比例，故而外電路電流大幅下降，因而光電流強度轉而降低。通過對比可以看出，復合材料的光電流相對于體相材料GPPCN提升很明顯。
【具體實施方式】
[0020]—種氮化碳/ 二氧化鈦復合材料的制備方法包括以下步驟:
[0021 ] (I)將前驅體雙氰胺(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。所述稱取雙氰胺質量為1g，加入CaCO3粉末質量為2.5g，加入H2O的體積為50ml。所述攪拌時間為4h.。所述真空干燥溫度為60°C，時間為12h。
[0022](2)將混合物轉移到潔凈干燥的坩禍中，將坩禍置于管式爐中，先通N2半個小時，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