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)具有類石墨結構及良好的半導體性能，在催化及光電領域引起廣泛關注。現(xiàn)在普遍采用直接焙燒含氮前驅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沉積、激光濺射、爆炸沖擊和溶劑熱等方法操作繁瑣、危險和成本高等不足。一些常見的含氮前驅體，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體不同，且

2、焙燒條件也不盡相同，這對于我們選用合適的前驅體進行研究帶來一定的困難，同時針對氮化碳前驅體對所制備氮化碳樣品物理化學性質的影響，如形貌、帶隙結構、熱穩(wěn)定性、比表面積和光催化活性等的研究較少，對縮聚過程的熱力學分析及熱穩(wěn)定活化能的計算報道也較少。因此，研究不同前驅體對制備氮化碳材料性質的影響，對于選擇合適前驅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體（雙腈胺、三聚氰胺、硫氰酸銨、硫脲和尿素）通過直接

3、焙燒熱縮聚方法制各氮化碳樣品，然后根據(jù)熱力學計算及實驗表征研究不同前驅體對所制備氮化碳樣品熱穩(wěn)定性、物理結構參數(shù)和化學性質的影響，并通過降解RhB溶液研究其光催化性能。實驗發(fā)現(xiàn)通過直接焙燒制備的氮化碳樣品比表面積往往較小，這就導致其在催化反應中活性較低，限制了其實際應用。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構的氮化碳，以提高其比表面，增加其應用性能。實驗發(fā)現(xiàn)，采用硬模板法，以硫氰酸銨為

4、前驅體，制各得到納米結構的氮化碳樣品，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、四氯化碳為前驅體制備的納米結構的氮化碳樣品比表面積可高達246 m2/g和629 m2/g，且同時表現(xiàn)出較好的電化學性能。
　　電化學超級電容器由于其高的能量和功率密度、長的循環(huán)使用壽命等，使其在能量儲存和功率輸出等方面表現(xiàn)出良好的應用前景，引起人們廣泛的關注。對于電極材料的研究發(fā)

5、現(xiàn)，純碳材料的儲能機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)由于結合了電化學雙電層電容和贗電容，同時保持了材料良好的循環(huán)性能，而引起人們廣泛的研究。另外含氮基團的引入，相當于引入堿性基團，因此對于酸性氣體（如CO2）的吸附具有一定的優(yōu)勢。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，并研究其電化學性能和CO2吸附性能，實驗發(fā)現(xiàn)氮摻后的介孔碳材料超級

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310.2 F/g，相當于原始碳材料的4倍。同時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。對不同氣氛下焙燒的樣品進行電化學超級電容器及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)，氮氣下850℃焙燒的樣品表現(xiàn)出較好的電化學性能，在掃速為5mV/s時，比容