高比表面積石墨化氮化碳和氮摻雜碳材料的制備及性能.pdf

1、石墨化氮化碳(g-C3N4)具有類(lèi)石墨結(jié)構(gòu)及良好的半導(dǎo)體性能，在催化及光電領(lǐng)域引起廣泛關(guān)注。現(xiàn)在普遍采用直接焙燒含氮前驅(qū)體的方法制備石墨化氮化碳材料，這種直接熱縮聚方法克服了電化學(xué)沉積、激光濺射、爆炸沖擊和溶劑熱等方法操作繁瑣、危險(xiǎn)和成本高等不足。一些常見(jiàn)的含氮前驅(qū)體，如腈胺、雙腈胺、三聚氰胺、硫脲、尿素和三臻環(huán)化合物C3N3X3(X=Cl、N、OH和NHCl)等被廣泛用來(lái)直接焙燒制備氮化碳材料。然而不同的課題組采用的含氮前驅(qū)體不同，且

2、焙燒條件也不盡相同，這對(duì)于我們選用合適的前驅(qū)體進(jìn)行研究帶來(lái)一定的困難，同時(shí)針對(duì)氮化碳前驅(qū)體對(duì)所制備氮化碳樣品物理化學(xué)性質(zhì)的影響，如形貌、帶隙結(jié)構(gòu)、熱穩(wěn)定性、比表面積和光催化活性等的研究較少，對(duì)縮聚過(guò)程的熱力學(xué)分析及熱穩(wěn)定活化能的計(jì)算報(bào)道也較少。因此，研究不同前驅(qū)體對(duì)制備氮化碳材料性質(zhì)的影響，對(duì)于選擇合適前驅(qū)體制備氮化碳材料具有重要的參考意義。
　　本文首先采用五種不同的氮化碳前驅(qū)體（雙腈胺、三聚氰胺、硫氰酸銨、硫脲和尿素）通過(guò)直接

3、焙燒熱縮聚方法制各氮化碳樣品，然后根據(jù)熱力學(xué)計(jì)算及實(shí)驗(yàn)表征研究不同前驅(qū)體對(duì)所制備氮化碳樣品熱穩(wěn)定性、物理結(jié)構(gòu)參數(shù)和化學(xué)性質(zhì)的影響，并通過(guò)降解RhB溶液研究其光催化性能。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)通過(guò)直接焙燒制備的氮化碳樣品比表面積往往較小，這就導(dǎo)致其在催化反應(yīng)中活性較低，限制了其實(shí)際應(yīng)用。為增加其比表面積，文中以凹凸棒土和SBA-15為模板，采用納米澆鑄及浸漬的方法制備納米結(jié)構(gòu)的氮化碳，以提高其比表面，增加其應(yīng)用性能。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用硬模板法，以硫氰酸銨為

4、前驅(qū)體，制各得到納米結(jié)構(gòu)的氮化碳樣品，所制各樣品的比表面積分別為165 m2/g和179 m2/g，并且表現(xiàn)出較好的光電流和光催化性能。而以液態(tài)乙二胺、四氯化碳為前驅(qū)體制備的納米結(jié)構(gòu)的氮化碳樣品比表面積可高達(dá)246 m2/g和629 m2/g，且同時(shí)表現(xiàn)出較好的電化學(xué)性能。
　　電化學(xué)超級(jí)電容器由于其高的能量和功率密度、長(zhǎng)的循環(huán)使用壽命等，使其在能量?jī)?chǔ)存和功率輸出等方面表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景，引起人們廣泛的關(guān)注。對(duì)于電極材料的研究發(fā)

5、現(xiàn)，純碳材料的儲(chǔ)能機(jī)理主要基于雙電層電容，然而其能量密度較低，雜原子摻雜的碳材料(HDC)由于結(jié)合了電化學(xué)雙電層電容和贗電容，同時(shí)保持了材料良好的循環(huán)性能，而引起人們廣泛的研究。另外含氮基團(tuán)的引入，相當(dāng)于引入堿性基團(tuán)，因此對(duì)于酸性氣體（如CO2）的吸附具有一定的優(yōu)勢(shì)。本文我們采用不同方法制備一系列氮摻雜碳材料。首先以雙腈胺作為氮源，采用后處理的方法制備得到氮摻雜的介孔碳，并研究其電化學(xué)性能和CO2吸附性能，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)氮摻后的介孔碳材料超級(jí)

6、電容器性能較原始碳材料性能明顯提高，850℃焙燒的樣品比容量可達(dá)310.2 F/g，相當(dāng)于原始碳材料的4倍。同時(shí)我們以葡萄糖作為碳源、三聚氰胺作為氮源，采用水熱方法制備得到氮摻雜的碳球，在不同氣氛下焙燒的樣品呈現(xiàn)不同的形貌。對(duì)不同氣氛下焙燒的樣品進(jìn)行電化學(xué)超級(jí)電容器及CO2吸附的表征發(fā)現(xiàn)，空氣中焙燒的樣品具有較高的CO2吸附量(3.9 mmol/g，273 K)，氮?dú)庀?50℃焙燒的樣品表現(xiàn)出較好的電化學(xué)性能，在掃速為5mV/s時(shí)，比容