一种单分散结构g‑C3N4纳米片及其制备方法与流程

本发明涉及微纳材料、光催化降解有机污染物及光解水制氢技术领域，具体是涉及一种单分散结构g-C₃N₄纳米片及其制备方法。

背景技术：

石墨相结构g-C₃N₄自被发现以来，因其制备工艺简单、原料易得、成本低廉而广泛收到关注。作为一种半导体材料，纳米g-C₃N₄在光催化降解有机物、光解水制氢和CO₂还原等领域具有良好的应用前景。

纳米g-C₃N₄具有类石墨的片层结构，如何制备出具有单分散的g-C₃N₄纳米片是众多学者所关注的问题。现有制备g-C₃N₄的主流方法为热解有机物法，即通过有机物前驱体(包括尿素、硫脲、三聚氰胺、双氰胺和氰胺)自身的缩聚过程制备g-C₃N₄，制备过程简单，该方法制备的g-C₃N₄粉体团聚现象比较严重，缩聚过程中形成大的团聚颗粒，从而严重影响到其比表面积和光催化活性。

目前在物理超声法、化学法剥离g-C₃N₄方面有大量的研究，经过剥片的g-C₃N₄显示出更高的比表面积和光催化活性。但液相法剥离存在时间长、产率低的问题，只有很少的一部分粉体能够被剥离至超细的纳米结构，而且这种超细粉在液相中也很难被分离出来获得干燥的粉体。因此如何宏量获得单分散结构g-C₃N₄纳米片仍然是目前研究的重点内容。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的在于：提供一种单分散结构g-C₃N₄纳米片及其制备方法。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种单分散结构g-C₃N₄纳米片，所述的g-C₃N₄纳米片的尺寸为10-50nm，颗粒分布均匀，无团聚现象。

优选地，一种单分散结构g-C₃N₄纳米片的制备方法，采用水蒸汽气氛条件下的二次煅烧法制备。

优选地，所述的单分散结构g-C₃N₄纳米片的制备方法，具体步骤如下：

(1)一次煅烧：以含氮基团有机物为原料，将原料置于烧舟中，然后将烧舟置于马弗炉中，在空气中煅烧获得g-C₃N₄粗粉；

(2)二次煅烧：以步骤(1)中的g-C₃N₄粗粉为原料，将原料置于烧舟中，然后将烧舟置于密封性管式炉中，以惰性气体为载流气，将惰性气体通过蒸馏水后再进入密封性管式炉中煅烧，获得单分散结构g-C₃N₄纳米片。

优选地，步骤(1)中含氮基团有机物原料为尿素、硫脲、三聚氰胺、双氰胺、氰胺中的一种或几种的混合物。

优选地，步骤(1)中煅烧温度为500-550℃，时间为2-5h。

优选地，步骤(2)中的煅烧温度为300-700℃，时间为2-6h。

优选地，步骤(2)中惰性气体为氮气或氩气。

与现有技术相比，本发明的一种单分散结构g-C₃N₄纳米片及其制备方法，其有益效果体现在：

1、本发明制备而成的g-C₃N₄纳米片具有单分散结构，颗粒分布均匀，无团聚现象，比表面积大，表面活性高；

2、本发明相比常用的超声、化学法剥片，采用水蒸汽气氛条件下的二次煅烧，不涉及溶液化学反应，产率大，能够实现g-C₃N₄纳米片的宏量制备。

附图说明

图1为g-C₃N₄粗粉(a)和单分散g-C₃N₄纳米片(b)的XRD谱图；

图2为g-C₃N₄粗粉的透射电子显微照片；

图3为单分散g-C₃N₄纳米片的透射电子显微照片。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步的说明，需要说明的是，仅仅是对本发明构思所做的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的构思或者超越本权利要求书所定义的范围，均应视为落入本发明的保护范围。

实施例1

一种单分散结构g-C₃N₄纳米片及其制备方法，具体步骤如下：

(1)一次煅烧：以三聚氰胺为原料，将原料置于烧舟中，然后将烧舟置于马弗炉中，在空气中550℃煅烧4h，获得g-C₃N₄粗粉；

步骤(1)所获得的g-C₃N₄粗粉形貌如图2所示，主要为尺寸为微米级的团聚粉体。

(2)二次煅烧：以步骤(1)中的g-C₃N₄粗粉为原料，将原料置于烧舟中，然后将烧舟置于密封性管式炉中，以氮气为载流气，将氮气通过蒸馏水后再进入密封性管式炉内在500℃下煅烧2h，获得单分散结构g-C₃N₄纳米片。

步骤(2)所获得的g-C₃N₄纳米片形貌如图3所示，主要为尺寸为30nm左右的纳米片，无团聚现象。

本实施例制备的g-C₃N₄纳米片比表面积为211m²·g^-1，具有很强的光催化能力，可见光条件下可在10min内实现20mg/L罗丹明B的完全降解，相同条件下g-C₃N₄粗粉的降解率仅为18％。可见光条件下光解水制氢效率为1160μmol·g^-1·h^-1，相同条件下g-C₃N₄粗粉的制氢效率仅为350μmol·g^-1·h^-1。

实施例2

本实施例的制备方法同实施例1，不同的是步骤(1)中的三聚氰胺修改为尿素。

本实施例制备的g-C₃N₄纳米片比表面积为206m²·g^-1，具有很强的光催化能力，可见光条件下可在10min内实现20mg/L罗丹明B的完全降解，光解水制氢效率为1157μmol·g^-1·h^-1。

实施例3

本实施例的制备方法同实施例1，不同的是步骤(1)中的三聚氰胺修改为双氰胺。

本实施例制备的g-C₃N₄纳米片比表面积为220m²·g^-1，具有很强的光催化能力，可见光条件下可在10min内实现20mg/L罗丹明B的完全降解，光解水制氢效率为1162μmol·g^-1·h^-1。

实施例4

本实施例的制备方法同实施例1，不同的是步骤(2)中的煅烧温度为400℃。

本实施例制备的g-C₃N₄纳米片比表面积为196m²·g^-1，具有很强的光催化能力，可见光条件下可在10min内实现20mg/L罗丹明B的完全降解，光解水制氢效率为1122μmol·g^-1·h^-1。

实施例5

本实施例的制备方法同实施例1，不同的是步骤(2)中的煅烧温度为600℃。

本实施例制备的g-C₃N₄纳米片比表面积为232m²·g^-1，具有很强的光催化能力，可见光条件下可在10min内实现20mg/L罗丹明B的完全降解，光解水制氢效率为1164μmol·g^-1·h^-1。

实施例6

本实施例的制备方法同实施例1，不同的是步骤(2)中的煅烧时间为4h。

本实施例制备的g-C₃N₄纳米片比表面积为234m²·g^-1，具有很强的光催化能力，可见光条件下可在10min内实现20mg/L罗丹明B的完全降解，光解水制氢效率为1214μmol·g^-1·h^-1。