一種碳微晶材料及其合成方法與流程

本發明涉及一種新型碳微晶材料及其合成方法，屬于無機非金屬材料領域。
背景技術：
：納米材料因其獨特的物理化學和光學特性，已成為材料科學領域的研究熱點。其中，碳納米材料成為綠色納米技術中最具有研究活力和發展潛力的一類納米材料。碳納米材料形態多樣且具備優異的導電性、良好的生物相容性、穩定的化學性能和大的比表面積等優勢，在電子學、光學、催化化學、生物醫學以及傳感器等領域中得到廣泛應用。目前，零維的富勒烯、一維碳納米管和二維石墨烯，在材料科學、生命科學和傳感器等領域已經取得很大的進展。作為新型的、零維碳納米材料，碳量子點不僅具有類似于傳統量子點的發光性能與小尺寸特性，而且還具有水溶性好、生物毒性低和導電性好的優勢，使其在生物成像、生物標記、傳感器、光催化、發光二極管等領域受到極大關注。作為類石墨材料g-c3n4（石墨相氮化碳），其化學性能穩定，不溶于大多數溶劑。作為多功能不含金屬的聚合物半導體材料，由于其獨特的電子帶隙結構及表面組成性質而被廣泛應用，在多相催化領域表現出較高的催化活性。g-c3n4有類似于石墨的層狀結構，其層與層之間是通過范德華力相互作用堆疊在一起，具有似苯環的大π鍵，形成高度離域的共軛體系。以有機物為原料制備納米碳材料時，有機物在空氣中（或惰性氣氛下）加熱到較高溫度時，將發生一系列的化學反應，所含的h、o、n等元素含量不斷減少，經歷碳化過程形成碳材料。隨著溫度的升高，有機物中化學鍵部分發生斷裂，并形成更穩定的鍵。一般在生成低分子（如co2、h2o和少量焦油等）同時，還會發生芳構化和芳香環的縮合、聚合過程，其過程取決于原料的組成結構和環境條件。在溫度低于800℃時，得到的碳材料通常以無定形碳形式存在，沒有宏觀的晶體學性質，其結構特點是：層平面不完整，存在空穴、位錯、雜原子以及其他雜質等各種缺陷；層平面不像石墨那樣有序，擇優取向性差；層間距大，且層間有碳原子或其他基團；尺寸較小等。只有在更高的溫度下才將逐步向有序的石墨結構轉化。因此制備新型功能性的納米碳材料，關鍵是設計構筑其構―效關系，選擇結構精準可控的合成方法。技術實現要素：針對目前制備含碳納米功能材料的技術難題，本發明的目的在于提供一種具有特定結構與性能的新型碳微晶材料；另一目的在于提供一種簡便的、低成本、可靠的新型碳微晶材料的合成方法。為實現本發明目的，制備建立可控的制備方法是關鍵。為此，本發明通過大量的科學實驗研究，發現采用熱縮聚合成法，通過熱誘導c源的前驅物發生一系列的縮聚反應形成碳微晶。具體技術方案如下：通過如下方法制備得到碳微晶材料：1、分別稱取有機物、無機催化劑機械混合均勻，行星式球磨機研磨，轉速為250~400轉/分鐘處理10~30分鐘。有機物/無機催化劑質量比范圍優選：10～4∶1。2、將上述混合后物料放入坩堝中，以3~10℃/分鐘速率升溫，在馬弗爐中500~650℃下焙燒1~2小時；3、然后冷至室溫，用去離子水洗滌至中性ph=7.0；在60℃~80℃溫度下干燥，再研磨和過篩，得到碳微晶材料。所述有機物選：葡萄糖、蔗糖、纖維素等單糖、低聚糖或多糖其中之一或兩種以上成分作為碳源。所述無機鹽催化劑選：碳酸氫鈉或其與碳酸鈉的混合物。本發明優點及創新點在于：采用廉價的有機物作為碳源、無機鹽為催化劑，利用熱縮聚合成法制備了新型碳微晶材料。試驗表明，所合成的碳微晶具有較大的比表面積、豐富的孔結構和化學穩定性，分子結構中官能團豐富，含有sp2和sp3雜化的c原子，存在共軛分子體系。利用此碳材料可與環境光催化材料形成雜化結構或構成異質結，能顯著地提高光催化材料吸附性能和催化效率，拓展了其應用。經本發明驗證，合成的碳微晶材料與g-c3n4光催化材料雜化復合后，表現出較強的吸附性能和顯著的光催化活性。為碳微晶在環境和能源領域的應用提供了實驗和理論基礎，有望成為合成新型碳材料的通用和重要的方法。附圖說明圖1為本發明制備的碳微晶樣品的掃描電鏡圖，圖中，a-未處理、b-經過后處理；圖2為本發明制備的碳微晶樣品的xrd分析圖譜；圖3為在不同焙燒溫度下本發明碳微晶樣品的紅外光譜圖；圖4為在不同焙燒溫度下本發明碳微晶樣品的拉曼光譜圖；圖5為微波法制備的本發明c/g-c3n4光催化材料的可見光性能及反應速率常數，圖中，a-可見光性能，b-反應速率常數；圖6為超聲法制備的本發明c/g-c3n4光催化材料的可見光性能及反應速率常數，圖中，a-可見光性能，b-反應速率常數。具體實施方式為對本發明進行更好地說明，舉實施例如下：實施例1通過如下方法制備得到本發明碳微晶材料：1、分別稱取葡萄糖、碳酸氫鈉和碳酸鈉機械混合均勻，行星式球磨機研磨，轉速為400轉/分鐘處理15分鐘。葡萄糖和碳酸氫鈉、碳酸鈉混合物的質量比范圍優選：9∶1。2、將上述混合后物料放入坩堝中，以9℃/分鐘速率升溫，在馬弗爐中500~650℃下焙燒1~2小時；3、然后冷至室溫，用去離子水洗滌至中性ph=7.0；在80℃溫度下干燥，再研磨和過篩，得到碳微晶材料。實施例2通過如下方法制備得到本發明碳微晶材料：1、分別稱取低聚糖和碳酸氫鈉機械混合均勻，行星式球磨機研磨，轉速為250轉/分鐘處理30分鐘。葡萄糖和碳酸氫鈉、碳酸鈉混合物的質量比范圍優選：5∶1。2、將上述混合后物料放入坩堝中，以4℃/分鐘速率升溫，在馬弗爐中500~650℃下焙燒1~2小時；3、然后冷至室溫，用去離子水洗滌至中性ph=7.0；在60℃溫度下干燥，再研磨和過篩，得到碳微晶材料。表1本發明制備的碳微晶樣品的比表面積及孔徑分析樣品比表面積（m2/g）吸附總孔體積(cm3/g)吸附平均孔徑(nm)500℃105.2520.1084.185550℃215.6050.1953.579600℃76.0640.0914.628應用例在環境光催化領域應用性能評價實驗：所采用試樣為本發明制備的碳微晶摻雜改性的聚合物半導體g-c3n4(石墨相氮化碳)，即碳微晶/氮化碳（c/g-c3n4），利用500w氙燈、420nm濾光片作為可見光源，用1×10-5mol/l的羅丹明溶液作為目標降解物。性能評價實驗在光化學反應儀上完成。具體操作步驟：準確稱量25mg本發明碳微晶/氮化碳作為復合催化劑，將其分散于50ml的羅丹明溶液中，得到懸浮液；將懸浮液進行超聲分散10min，避光攪拌30min。然后進行光反應，取樣間隔20min，反應時間2h。取樣進行離心分離，取其上清液用分光光度計在吸收波長λ=554nm下測量吸光度。實驗結果見圖5、6，可以看出：兩種方法所制備的碳微晶摻雜改性的系列c/g-c3n4復合催化劑的活性均與碳微晶的含量有關，其中以0.3%-c/g-c3n4樣品的催化效果最佳。微波法所制備0.3%-c/g-c3n4樣品對rhb降解率達61%，反應速率常數是純g-c3n4約1.5倍；超聲法所制備0.3%-c/g-c3n4樣品對rhb降解率達51%，反應速率常數是純g-c3n4約1.2倍。當前第1頁12