一种非金属g-C3N4纳米片的制备方法与流程

本发明属于纳米材料合成技术领域，利用简单的热聚合法直接一步合成非金属g-c3n4纳米片，可用于可见光下光催化分解水制氢。

背景技术：

随着工业化的高速发展，人类社会所面临的能源危机和环境污染等问题日益严重。近些年来，大力开发利用清洁、绿色、无污染的氢能源受到了各国政府部门的广泛关注。当前，基于太阳光为驱动力的光催化分解水制氢技术被国内外学者普遍视为解决上述问题的理想途径途径之一。在光催化领域，传统的半导体光催化材料主要包括金属氧化物(tio2、ta2o5、srtio3等)和硫化物(cds、zns、zn(1-x)cu(x)s等)。但是，它们在光催化反应中具有一些明显的缺陷，例如：tio2仅可响应太阳光谱中很小比例的紫外光；另外，cds在光催化反应中不仅自身稳定性差，同时还含有对环境有害的重金属元素。因此，开发高效、稳定、廉价、且可实际应用的可见光响应光催化剂是光催化领域的重要研究课题。

氮化碳(g-c3n4)作为一种新兴的非金属聚合半导体材料，由于其适宜的能带结构、良好的热化学稳定性、低廉的制备成本等特点在光催化领域受到了国内外科学家的青睐。此外，g-c3n4的实验室制备方法非常简单，只需经一步热聚合反应便可直接合成。但是，常规前驱体(双氰胺和三聚氰胺)所合成的g-c3n4是一种体相材料，由于光生载流子分离速率较差以及比表面积较小的缺点，导致其在可见光下的光催化分解水制氢性能并不理想。最近，科学家们发现将层状g-c3n4剥离成二维g-c3n4纳米片可以有效增强其光催化活性。然而，目前已报道的g-c3n4纳米片制备方法主要是通过二次热氧化刻蚀和超声辅助剥离策略间接的从体相g-c3n4来合成g-c3n4纳米片，这对于其实际应用拥有步骤繁琐、耗时长、难以批量生产等弊端。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种非金属g-c3n4纳米片半导体材料的合成方法，并将其应用于可见光下光催化分解水制氢。该方法仅以硫脲为原料，利用热聚合法直接一步合成高催化活性的g-c3n4纳米片光催化剂。

本发明提供的一种g-c3n4纳米片光催化材料的制备方法，其合成方法主要包括以下几个步骤：

步骤1：称取硫脲置于玛瑙研钵中，研磨均匀，得到样品a。

所述的研磨时间为5min。

步骤2：将样品a转移到圆形坩埚中，并盖上坩埚盖子水平置于马弗炉内，设置初始温度为50℃，然后以2.3℃/min的升温速率将马弗炉升温至580℃，并在该温度下反应4h，等自然冷却至室温后，得到样品b。

所述的圆形坩埚容量为50ml。

步骤3：将样品b转移到玛瑙研钵中，研磨均匀，最终得到非金属g-c3n4纳米片。

所述的研磨时间为5min。

本发明中g-c3n4纳米片的形貌由透射电镜(tem)确定。如图1所示，tem图中发现当硫脲的热聚合温度为580℃时，可以合成二维结构的g-c3n4纳米片；而当硫脲的热聚合温度为540℃和560℃时，仅能合成体相结构的g-c3n4。该结果表明g-c3n4纳米片已由上述方法成功制备。

本发明中g-c3n4纳米片的晶体结构由x射线衍射(xrd)确定。如图2所示，xrd图中发现除g-c3n4材料的(100)和(002)两个特征衍射峰外，未发现其它杂质峰。该结果表明合成的g-c3n4纳米片是一种纯相材料。

本发明中g-c3n4纳米片的厚度由原子力显微镜(afm)确定。如图3所示，afm图中发现除g-c3n4纳米片厚度很薄，其平均厚度为4nm。该结果进一步表明超薄的g-c3n4纳米片已被成功制备。

有益效果

本发明具有原料价廉易得，成本低廉，工艺简单，反应时间短等优点。利用直接一步热聚合法所制备的g-c3n4纳米片半导体材料，在可见光下具有优异的光催化分解水制氢活性。相比于传统剥离策略合成g-c3n4纳米片，本发明减少了能耗和制备成本，便于批量生产，且无毒无害，符合节能环保的要求。

附图说明

图1为本发明实施例1-3所制备样品的透射电镜(tem)。图中结果显示当硫脲热聚合温度为580℃时，可以直接合成二维g-c3n4纳米片。

图2为本发明实施例1-3所制备样品的x射线衍射图(xrd)。图中结果显示出g-c3n4材料的两个特征衍射峰。

图3为本发明实施例3所制备样品的原子力显微镜图(afm)。图中结果显示出g-c3n4纳米片的平均厚度为4nm。

图4为本发明实施例1-3所制备样品在可见光照射下光催化分解水制氢的性能图。图中结果可以看出当硫脲聚合温度为580℃时，所得g-c3n4纳米片的制氢效率都明显高于540℃和560℃所合成的g-c3n4样品。该结果说明了合成的g-c3n4纳米片能够高效应用于可见光下的光催化分解水制氢反应。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行详细说明，以使本领域技术人员更好地理解本发明，但本发明并不局限于以下实施例。

实施例1

步骤1：称取5.0g硫脲置于玛瑙研钵中，研磨5min使之均匀，得到样品a。

步骤2：将样品a转移到50ml圆形坩埚中，并盖上坩埚盖子水平置于马弗炉内，设置初始温度为50℃，然后以2.3℃/min的升温速率将马弗炉升温至540℃，并在该温度下反应4h，等自然冷却至室温后，得到样品b。

步骤3：将样品b转移到玛瑙研钵中，研磨5min，最终得到g-c3n4(540)-t样品。

实施例2

步骤1：称取5.0g硫脲置于玛瑙研钵中，研磨5min使之均匀，得到样品a。

步骤2：将样品a转移到50ml圆形坩埚中，并盖上坩埚盖子水平置于马弗炉内，设置初始温度为50℃，然后以2.3℃/min的升温速率将马弗炉升温至560℃，并在该温度下反应4h，等自然冷却至室温后，得到样品b。

步骤3：将样品b转移到玛瑙研钵中，研磨5min，最终得到g-c3n4(560)-t样品。

实施例3

步骤1：称取5.0g硫脲置于玛瑙研钵中，研磨5min使之均匀，得到样品a。

步骤2：将样品a转移到50ml圆形坩埚中，并盖上坩埚盖子水平置于马弗炉内，设置初始温度为50℃，然后以2.3℃/min的升温速率将马弗炉升温至580℃，并在该温度下反应4h，等自然冷却至室温后，得到样品b。

步骤3：将样品b转移到玛瑙研钵中，研磨5min，最终得到g-c3n4(580)-t样品。

实施例4

步骤1：称取5.0g硫脲置于玛瑙研钵中，研磨5min使之均匀，得到样品a。

步骤2：将样品a转移到50ml圆形坩埚中，并盖上坩埚盖子水平置于马弗炉内，设置初始温度为50℃，然后以2.3℃/min的升温速率将马弗炉升温至600℃，并在该温度下反应4h，等自然冷却至室温后，由于硫脲完全分解使得无法得到g-c3n4样品。

通过直接一步加热硫脲，调控其热聚合温度成功合成了非金属g-c3n4纳米片半导体材料。在可见光(λ>420nm)照射下，分别考察所得g-c3n4样品在相同催化剂量(50mg)和助催化剂(pt＝3％)条件下的光催化分解水制氢性能。光催化结果显示随着硫脲聚合温度的升高，所得g-c3n4样品的光催化分解水制氢活性越高。当热聚合温度为58℃℃时，合成的g-c3n4(580)-t纳米片展现出最佳的光催化性能，其产氢速率可达1383μmolg^-1h^-1,分别是g-c3n4(540)-t和g-c3n4(560)-t样品的3.6倍和2.1倍。这一结果说明了所制备的g-c3n4纳米片能够高效应用于光催化分解水制氢气。