材料及其制備方法和應用
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于材料制備及含能材料領域，具體涉及一種不規(guī)則棒狀形貌g-C3N4的制備方法，以及將其用于催化高氯酸銨(AP)的熱分解。
【背景技術】
[0002]高氯酸銨(AP)是固體火箭推進劑中的氧高能組分，在AP系推進劑中占60 %的比例，其熱分解特性對固體火箭推進劑的總體性能有重要影響，尤其是AP的熱分解特性與推進劑的燃燒性能(燃數(shù))密切相關。通過研究推進劑中含能材料的熱分解特性可以推測推進劑的燃燒性能。研究表明，添加少量催化劑可顯著降低高氯酸銨(AP)的熱分解溫度。例如，Zhang 等【Zhang ff ff, et al.Materials Research Bulletin, 2014，50，73】米用硝硫混酸對氧化石墨烯進行硝化制備了硝化氧化石墨烯(NG0)，使高氯酸銨的高溫分解溫度降至326 Γ。
[0003]g_C3N4是一種具有類石墨層狀結(jié)構(gòu)的氮化碳材料，C、N原子均發(fā)生sp 2雜化，通過pz軌道上的孤對電子形成一個類似于苯環(huán)結(jié)構(gòu)的大π鍵，組成高度離域的共軛體系，層與層之間存在大量自由移動的電子。作為一種無金屬催化劑，g-C3N4已經(jīng)引起人們的廣泛關注，在生物、催化和能源等方面都有很好的應用前景。例如，王等【W(wǎng)ang X C, et al.NatureMaterials, 2009，8，76】通過煅燒三聚氰胺的方法制備g_C3N4用于可見光照射下光解水制氫，表現(xiàn)出良好的催化效果。Li等【Li Q，et al.RSC Advance, 2015，5，24507】采用熱縮聚法制備出g-C3N4用于催化分解高氯酸銨，使AP的分解溫度降低了 70 °C。基于以上分析，本發(fā)明制備出的不規(guī)則棒狀g_C3N4對高氯酸銨(AP)的熱分解有較強的催化作用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為解決現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明的目的在于，提供一種不規(guī)則棒狀g_C3N4的制備方法，以及將其應用于催化分解高氯酸銨(AP)，為制備特定形貌的g_C3N4提供一種新的方法，為催化分解高氯酸銨(AP)提供一種高效催化劑；本發(fā)明制備出的g_C3N4，具有不規(guī)則棒狀形貌，對高氯酸銨的熱分解表現(xiàn)出良好的催化效果。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案:
一種不規(guī)則棒狀g_C3N4材料，其特征在于，制備出的g-C 3N4具有不規(guī)則棒狀結(jié)構(gòu)。
[0006]本發(fā)明提供了一種不規(guī)則棒狀g_C3N4材料的制備方法，包括以下步驟:
(1)將三聚氰胺加入乙二醇中，攪拌溶解；
(2)取稀硝酸加入上述溶液中，攪拌、靜置；
(3)出現(xiàn)白色沉淀后，抽濾、乙醇洗滌、干燥，得白色固體；
(4)將步驟(3)中得到的白色固體放入馬弗爐中焙燒得不規(guī)則棒狀g_C3N4。
[0007]所述步驟(1)中的三聚氰胺為0.1-0.5 g，乙二醇為35~70 ml。
[0008]所述步驟(2)中的稀硝酸濃度為0.l~lmol/L，稀硝酸體積為40~80 mL。
[0009]所述步驟(2 )中的攪拌時間為0.5-2 h。
[0010]所述步驟(3)中的洗滌次數(shù)為1~4次。
[0011 ] 所述步驟(3 )中的干燥溫度為50~80 V。
[0012]所述步驟(4 )中的焙燒溫度為300~500 V，焙燒時間為1~4 h。
[0013]本發(fā)明還提供了一種不規(guī)則棒狀g_C3N4材料的應用，所述的不規(guī)則棒狀g-C 3N4用于催化高氯酸銨(AP)的熱分解。
[0014]本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有以下的有益效果:
(1)本發(fā)明首次利用ΗΝ03對三聚氰胺進行質(zhì)子化處理，形成質(zhì)子化氨基基團，降低了三聚氰胺縮聚過程的活化能，使其在較低的溫度下就能發(fā)生聚合反應，避免了高溫燒結(jié)過程中的樣品揮發(fā)升華等問題。
[0015](2)采用本方法制備的不規(guī)則棒狀g_C3N4，對高氯酸銨的熱分解表現(xiàn)出良好的催化效果，有效降低了高氯酸銨的分解溫度。
[0016](3)采用本方法制備的不規(guī)則棒狀g_C3N4，不含重金屬元素，是一種環(huán)境友好型催化劑。
[0017](4)本方法原料來源廣泛，制備工藝簡單，制備效率高，適合工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)，在含能材料領域具有很高的應用前景和實用價值。
【附圖說明】
[0018]圖1為實施例1制備的塊狀g_C3N4的SEM圖片；
圖2為實施例1制備的塊狀g_C3N4和實施例2制備的不規(guī)則棒狀g-C 3N4的XRD曲線； 圖3為實施例3制備的不規(guī)則棒狀g_C3N4的SEM圖片；
圖4為實施例4制備的不規(guī)則棒狀g_C3N4材料的FT-1R曲線；
圖5為實施例1制備的塊狀g_C3N4和實施例2制備的不規(guī)則棒狀g-C 3N4催化高氯酸銨熱分解的性能測試曲線；
圖6為本發(fā)明一種不規(guī)則棒狀g_C3N4的制備方法流程圖。
【具體實施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步描述。以下實施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明的技術方案，而不能以此來限制本發(fā)明的保護范圍。
[0020]實施例1 (對比實施例)制備塊狀g_C3N4
稱取5 g三聚氰胺放入陶瓷坩禍中(蓋上坩禍蓋)，在馬弗爐中以50°C /min升溫到500°C，在這個溫度下保溫焙燒1 h，接著5min內(nèi)快速升溫到520°C，保溫焙燒1 h，冷卻研磨得黃色粉末樣品。
[0021]將實施例1制備的塊狀g_C3N4，經(jīng)掃描電子顯微鏡測試后，見圖1，為塊狀結(jié)構(gòu)。
[0022]將實施例1制備的材料，經(jīng)X-射線衍射儀掃描后，見圖2，為g_C3N4。
[0023]實施例2制備不規(guī)則棒狀g_C3N4
如圖6所示，一種不規(guī)則棒狀g_C3N4的制備方法，包括以下幾個步驟:
(1)稱取0.16 g三聚氰胺加入45 ml乙二醇中，攪拌溶解；
(2)稱取60mL濃度為0.12 mol/L稀硝酸加入上述溶液中，攪拌1 h后靜置；
(3)出現(xiàn)大量白色沉淀后，抽濾、乙醇洗滌3次、60°C烘干； (4)將步驟(3)中得到的白色固體放入馬弗爐，350 °C下焙燒1 h得不規(guī)則棒狀g-C3N4。
[0024]將實施例2制備的材料，經(jīng)X-射線衍射儀掃描后，見圖2，制備的不規(guī)則棒狀g_C3N4和普通方法(實施例1)制備的塊狀g-C 3N4具有相似的XRD圖譜，表明不規(guī)則棒狀g_C3N4具有類石墨層狀結(jié)構(gòu)；普通方法制備的塊狀g_C3N4在13.2°出現(xiàn)特征衍射峰，而不規(guī)則棒狀g_C3N4在17.7°出現(xiàn)特征衍射峰，說明塊狀g-C 3N4為三均三嗪基(tr1-s-triazine)結(jié)構(gòu)，而不規(guī)則棒狀g_C3N4為三嘆基(s-triazine)結(jié)構(gòu)。
[0025]實施例3制備不規(guī)則棒狀g_C3N4
如圖6所示，一種不規(guī)則棒狀g_C3N4的制備方法，包括以下幾個步驟:
(1)稱取0.5 g三聚氰胺加入70 ml乙二醇中，攪拌溶解；
(2)稱取80mL濃度為1 mol/L稀硝酸加入上述溶液中，攪拌2 h后靜置；
(3)出現(xiàn)大量白色沉淀后，抽濾、乙醇洗滌2次、50°C烘干；
(4)將步驟(3)中得到的白色固體放入馬弗爐，500°C下焙燒1 h得不規(guī)則棒狀g-C3N4。
[0026]將實施例3制備的不規(guī)則棒狀g_C3N4，經(jīng)掃描電子顯微鏡測試后，見圖3，為不規(guī)則棒狀結(jié)構(gòu)。
[0027]實施例4制備不規(guī)則棒狀g_C3N4
如圖6所示，一種不規(guī)則棒狀g_C3N4的制備方法，包括以下幾個步驟:
(1)稱取0.1g三聚氰胺加入35 ml乙二醇中，攪拌溶解；
(2)稱取40mL濃度為0.1 mol/L稀硝酸加入上述溶液中，攪拌0.5 h后靜置；
(3)出現(xiàn)大量白色沉淀后，抽濾、乙醇洗滌4次、80°C烘干；
(4)將步驟(3)中得到的白色固體放入馬弗爐，300°C下焙燒1 h得不規(guī)則棒狀g-C3N4。
[0028]將實施例4制備的不規(guī)則棒狀g_C3N4材料，經(jīng)傅里葉變換紅外光譜儀觀察，見圖4，不規(guī)則棒狀g_C3N4和塊狀g-C 3N4 (實施例1)在1200-1800 cm 1具有類似的紅外吸收峰，表明制備的不規(guī)則棒狀g_C3N4和塊狀g-C 3N4—樣，具有類石墨結(jié)構(gòu)。
[0029]實施例5不規(guī)則棒狀g-C 3N4催化高氯酸銨(AP)熱分解的應用
取實施例2制備的不規(guī)則棒狀g_C3N4材料0.02 g和0.98 g高氯酸銨(AP)—起加入無水乙醇中攪拌，混合均勻，干燥后取樣9-10 mg進行DTA測試，測試條件:氬氣氣氛，流量:20ml/min，升溫速率10 °C/min，溫度范圍:100-500 °C。測試結(jié)果見圖5，分解溫度為328.5°C。同樣，取普通方法(實施例1)制備的塊狀g_C3N4材料0.02 g和0.98 g高氯酸銨(AP)一起加入無水乙醇中攪拌，混合均勻，干燥后取樣9-10 mg進行DTA測試，測試條件:氬氣氣氛，流量:20 ml/min，升溫速率10 °C/min，溫度范圍:100-500 °C。測試結(jié)果見圖5，高溫分解溫度為398.1 °C。說明與一般的塊狀g_C3N4相比，本方法制備出的不規(guī)則棒狀g-C3N4對高氯酸銨的催化分解具有更好的催化效果，使AP在更低的溫度下分解。
[0030]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變形，這些改進和變形也應視為本發(fā)明的保護范圍。
【主權項】
1.一種不規(guī)則棒狀g-c 3N4材料，其特征在于，制備出的g-c 3N4具有不規(guī)則棒狀結(jié)構(gòu)。2.根據(jù)權利要求1所述一種不規(guī)則棒狀g-C3N4材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)將三聚氰胺加入乙二醇中，攪拌溶解； (2)取稀硝酸加入上述溶液中，攪拌，靜置； (3)出現(xiàn)白色沉淀后，抽濾、乙醇洗滌、干燥，得白色固體； (4)將步驟(3)中得到白色固體放入馬弗爐中焙燒得不規(guī)則棒狀g_C3N4。3.根據(jù)權利要求2所述一種不規(guī)則棒狀g-C3N4材料的制備方法，其特征在于:步驟(1)中的三聚氰胺為0.1-0.5 g，乙二醇為35~70 ml ο4.根據(jù)權利要求2所述一種不規(guī)則棒狀g-C3N4材料的制備方法，其特征在于:步驟(2)中的稀硝酸濃度為0.1~1 mol/L，稀硝酸體積為40~80 mL。5.根據(jù)權利要求2所述一種不規(guī)則棒狀g-C3N4材料的制備方法，其特征在于:步驟(2)中的攪拌時間為0.5~2 ho6.根據(jù)權利要求2所述一種不規(guī)則棒狀g-C3N4材料的制備方法，其特征在于:步驟(3)中的洗滌次數(shù)為1~4次。7.根據(jù)權利要求2所述一種不規(guī)則棒狀g-C3N4材料的制備方法，其特征在于:步驟(3)中的干燥溫度為50~80 °C。8.根據(jù)權利要求2所述一種不規(guī)則棒狀g-C3N4材料的制備方法，其特征在于:步驟(4)中的焙燒溫度為300~500 °C，焙燒時間為1~4 ho9.根據(jù)權利要求1所述一種不規(guī)則棒狀g-C3N4材料的應用，其特征在于，所述的不規(guī)則棒狀結(jié)構(gòu)的g_C3N4材料應用于催化高氯酸銨的熱分解。
【專利摘要】本發(fā)明屬于材料制備及含能材料領域，旨在公開一種具有不規(guī)則棒狀結(jié)構(gòu)的類石墨相氮化碳(g-C3N4)及其制備方法和應用。制備步驟如下：將三聚氰胺溶于乙二醇，然后向溶液中滴加硝酸，攪拌、靜置，待出現(xiàn)大量沉淀，將沉淀物洗滌、干燥后于馬弗爐中焙燒即可得具有不規(guī)則棒狀結(jié)構(gòu)的g-C3N4。本發(fā)明制備出的g-C3N4具有不規(guī)則棒狀結(jié)構(gòu)，對高氯酸銨的熱分解表現(xiàn)出良好的催化效果。本發(fā)明工藝流程簡單，原料來源廣泛，產(chǎn)品易于制備，生產(chǎn)時間短，制備效率高。
【IPC分類】C01B21/082
【公開號】CN105271142
【申請?zhí)枴緾N201510811690
【發(fā)明人】談玲華, 郟永強, 徐建華, 杭祖圣, 寇波, 吳瓊, 陳宇, 呂靜
【申請人】南京工程學院
【公開日】2016年1月27日
【申請日】2015年11月19日