一种三角形磷、硫掺杂氮化碳纳米片的制备方法与流程

本发明涉及一种三角形氮化碳纳米片的制备方法，其方法简单高效，属于无机半导体纳米材料的制备领域。

背景技术：

类石墨氮化碳（g-c3n4）是碳氮化物中最稳定的同素异形体，在g-c3n4的分子结构中，c、n原子均为sp²杂化相间排列；在可见光的照射下，其能发生光催化反应，将一些有机物降解为无机物，在一定条件下，它还能够光解水制氢；自2009年广大学者发现g-c3n4的光催化性能以来，这一新型的半导体材料由于其优异的性能在催化领域、光电子器件和化学传感器领域具有巨大的潜在应用。

g-c3n4的制备方法比较简单，通常是由一些含氮量高的前驱体，比如尿素、双氰胺、三聚氰胺等，经过高温灼烧分解制备而成；然而，未经改良处理的g-c3n4具有快速的光生电子-空穴对性能，催化活性受到限制，不利于其在催化领域中的应用；最近关于单个或几个原子厚的g-c3n4纳米片的研究已经证明了它的高水分散性、高荧光量子产率、强电化学发光活性、良好的生物相容性，并且与体相g-c3n4相比具有改善的光催化性能；这种纳米分层材料成本低廉、具有高的稳定性、良好的生物相容性等优点，广泛应用于灵敏检测癌胚抗原、dna、金属离子等。

然而，原始g-c3n4纳米片的广泛应用总是受到可见光吸收不足，光生电荷快速复合和比表面积小的限制；因此，各种改性策略如元素掺杂，制备介导g-c3n4，与导电材料复合，与其他半导体的异质结构造，和染料敏化等，以提高光催化活性；在上述方法中，掺杂非金属如p，b，s，o和br，或金属如k，fe和cu原子被认为是一种有效的策略；当然，单元素掺杂总是无法实现所有增强，并获得令人满意的光催化性能，所以双元素或者多元素掺杂是最佳选择。

技术实现要素：

针对目前存在的问题，本发明的目的是提供一种简单有效、操作方便、可行性高的三角形g-c3n4纳米片及其掺杂型复合材料的合成方法，其特征是包括以下步骤：

（1）体相g-c3n4的制备：称取2-10g三聚氰胺置于干燥的氧化铝坩埚中，放入箱式电阻炉，按照程序设置好指定加热温度，先由室温升高到220ºc加热2-3h，之后再将温度升高至350ºc，保持2-3h，继续升温至550ºc煅烧2-3h，加热和冷却速率均为3ºc/min，指令执行完毕后，箱式电阻炉会在自然状态下降至室温；之后，将坩埚取出，得到的黄色固体即为体相g-c3n4；

（2）将步骤（1）所得体相g-c3n4研磨成粉末状装入塑料离心管中保存以备后续使用；称取10-200mg上述样品，用二次水稀释至10-200ml，即可得到体相g-c3n4溶液；

（3）超薄的g-c3n4纳米片的制备：超薄的g-c3n4纳米片能够通过液体剥落步骤（2）所得的体相g-c3n4溶液得到；方法如下：将体相g-c3n4溶液先磁性搅拌30-60min，待其分散均匀后，接着数控超声10-16h，其中超声温度为25-30ºc，超声功率为80-100w；起初得到的悬浮液在6000rpm/min下离心来移除残余的未剥落的g-c3n4；高速离心完毕之后，取出试管，倒掉每个试管中的下层浊液，收集上层清液再超声2-3h，之后得到的悬浮液在8000rpm/min下离心来移除体相g-c3n4；第二次得到的上层清液即为所需超薄的g-c3n4纳米片，将该溶液收集并储存在4ºc下以备后续使用；

（4）将步骤（3）所得超薄的g-c3n4纳米片于60ºc、减压条件下在旋转蒸发器中浓缩，最终得到一个类似牛奶的悬浊液；g-c3n4纳米片悬浮液的质量浓度通过称量由一定体积悬浮液干燥得到的粉末的质量计算；

（5）磷硫元素掺杂的g-c3n4纳米片的制备：称取1-5g三聚氰胺，1-5g硫脲和不同量的三聚氯化磷腈置于干燥的氧化铝坩埚中，放入箱式电阻炉中，然后按照程序设置好指定加热温度，先由室温升高到220ºc加热2-3h，之后再将温度升高至350ºc，保持2-3h，继续升温至550ºc煅烧2-3h，加热和冷却速率均为3ºc/min，指令执行完毕后，箱式电阻炉会在自然状态下降温至室温，之后，将坩埚取出，得到的黄色固体；重复步骤（2）（3）（4）

本发明的有益效果

（1）本发明制备方法简单高效，操作方便，成本低廉；

（2）本发明合成的三角形磷、硫掺杂氮化碳纳米片，相比其他氮化碳材料具有更大的活性比表面积，丰厚的采光活性位点；

（3）本发明合成的三角形磷、硫掺杂氮化碳纳米片具有丰富的内部中空结构，有望在药物负载与传输、光催化等领域取得应用。

附图说明

图1是三角形氮化碳纳米片的扫描电镜图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面通过实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1

一种三角形氮化碳纳米片的制备，具体制备工艺如下：

（1）体相g-c3n4的制备：称取5g三聚氰胺置于干燥的氧化铝坩埚中，放入箱式电阻炉中，按照程序设置好指定加热温度，先由室温升高到220ºc加热2-3h，之后再将温度升高至350ºc，保持2-3h，继续升温至550ºc煅烧2-3h，加热和冷却速率均为3ºc/min，指令执行完毕后，箱式电阻炉会在自然状态下降至室温；之后，将坩埚取出，得到的黄色固体即为体相g-c3n4；

（2）将步骤（1）所得体相g-c3n4研磨成粉末状装入塑料离心管中保存以备后续使用；称取100mg上述样品，用二次水稀释至100ml，即可得到体相g-c3n4溶液；

（3）超薄的g-c3n4纳米片的制备：超薄的g-c3n4纳米片能够通过液体剥落步骤（2）所得的体相g-c3n4溶液得到；方法如下：将体相g-c3n4溶液先磁性搅拌30min，待其分散均匀后，接着数控超声16h，其中超声温度为25ºc，超声功率为80w；起初得到的悬浮液在6000rpm/min下离心来移除残余的未剥落的g-c3n4；高速离心完毕之后，取出试管，倒掉每个试管中的下层浊液，收集上层清液再超声2h，之后得到的悬浮液在8000rpm/min下离心来移除体相g-c3n4；第二次得到的上层清液即为所需超薄的g-c3n4纳米片，将该溶液收集并储存在4ºc下以备后续使用；

（4）将步骤（3）所得超薄的g-c3n4纳米片并于60ºc、减压条件下在旋转蒸发器中浓缩，最终得到一个类似牛奶的悬浊液；g-c3n4纳米片悬浮液的质量浓度通过称量由一定体积悬浮液干燥得到的粉末的质量计算。

实施例2

制备步骤同例1，不同之处是：步骤（1）中5g三聚氰胺改为2.5g三聚氰胺和2.5g硫脲。

实施例3

制备步骤同例1，不同之处是：步骤（1）中5g三聚氰胺改为5g三聚氰胺和200mg三聚氯化磷腈。

实施例4

制备步骤同例1，不同之处是：步骤（1）中5g三聚氰胺改为2g三聚氰胺，2g硫脲和200mg三聚氯化磷腈。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种三角形磷、硫掺杂氮化碳纳米片的制备方法，属于无机半导体纳米材料的制备领域。本方法包括以下步骤：高温煅烧‑研磨溶解‑超声剥落‑离心洗涤‑蒸发浓缩。本发明的优点是工艺流程简单，对环境无污染，操作过程简单，成本低，反应条件易实现，形成大面积三角形纳米材料结构不仅展现出丰富的活性采光面积，同时其丰富的内部中空结构有望在药物负载与传输、光催化等领域取得应用。

技术研发人员：于京华;殷雪梅;张丽娜;葛慎光
受保护的技术使用者：济南大学
技术研发日：2019.01.24
技术公布日：2019.04.02