一种富碳g‑C3N4纳米片及其制备方法与流程

本发明涉及纳米材料、光分解水制氢
技术领域：
，具体涉及一种富碳g-c3n4纳米片及其制备方法。
背景技术：
：氮化碳由于可以弥补碳材料中很多不足，因此被认为是一种可以取代碳材料的新材料。而在不同氮化碳的结构中，石墨相氮化碳(g-c3n4)被认为是最稳定的一种结构。且因原料来源广泛，制备方法简单，化学性质稳定以及优良的半导体性质，在光催化降解污染物，光催化合成有机化合物以及光催化分解水制氢方面有广阔的应用前景。g-c3n4纳米光催化剂的禁带宽度约为2.7ev，其中导带和价带分别位于-1.42ev和+1.28ev，在太阳能利用方面有很大的潜力。但在如何提高g-c3n4对可见光的利用率方面仍是许多学者关注的热点。传统的热缩聚方法制备得到的g-c3n4，团聚现象严重，且在催化降解有机污染物和光解水制氢气过程中，光生电子和空穴的复合几率高，极大地降低了光解水的效率。通过掺杂的方法，将外来元素者或离子引入到g-c3n4的结构中，从而改变g-c3n4的能带结构，提高光生电子和空穴的分离效率，从而提高g-c3n4的光催化活性。目前主要采用金属元素或非金属元素掺杂对g-c3n4进行改性。掺杂之后的g-c3n4表现出更高的光催化活性。但通过引入外来原子或离子制备得到g-c3n4光催化剂，一方面实验操作比较复杂，过程较为繁琐，另一方面，外来原子或离子的引入到g-c3n4成功率较低，且会破坏g-c3n4自身的结构。因此如何通过简单有效的方法，制得具有富碳g-c3n4纳米片仍是目前研究的重点内容。技术实现要素：针对以上问题，本发明的目的在于：提供一种富碳g-c3n4纳米片及其制备方法。为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种富碳g-c3n4纳米片，其特征在于：为高度分散的纳米片结构，其c/n比在0.82-0.96之间。优选地，一种富碳g-c3n4纳米片的制备方法，以能通过聚合作用生成含三嗪环结构的化合物为原料，采用不同浓度的乙醇水溶液作为碳源，二次热氧化得到富碳g-c3n4纳米片。优选地，所述的富碳g-c3n4纳米片的制备方法，具体步骤如下：(1)一次热氧化：以能通过聚合作用生成含三嗪环结构的化合物为原料，将原料置于烧舟之中，在马弗炉里直接煅烧，随炉冷却至室温，获得g-c3n4粗粉；(2)二次热氧化：以步骤(1)中所获得的g-c3n4粗粉为原料，将原料置于烧舟中，将烧舟置于密闭管式炉中，以惰性气体为载流气，将惰性气体通过不同浓度的乙醇水溶液后通入管式炉中进行不同温度的处理，获得富碳的g-c3n4纳米片。优选地，步骤(1)中通过聚合作用生成三嗪环结构的化合物原料为尿素，氰氨，双氰氨，三聚氰胺中的一种或多种的混合物。优选地，步骤(1)中煅烧温度为500-550℃，时间为3-6h。优选地，步骤(2)中的煅烧温度为400-600℃，时间为2-6h。优选地，步骤(2)中不同浓度的乙醇水溶液的浓度范围为1-10％。优选地，步骤(2)中的惰性气体为氩气或氮气。与现有的工艺相比，本发明的一种富碳g-c3n4纳米片及其制备方法，其优越性体现在：1、本发明制备的合成的富碳g-c3n4纳米片实验操作简单，不涉及液相法过程的清洗、分离、干燥等过程，产率高，单分散性好。得到的g-c3n4纳米片比表面积较大，化学性质稳定，光催化效率高；2、本发明相较于普遍的引入外来原子或离子进行掺杂，以乙醇作为碳源，c自掺杂的g-c3n4可以吸收更多的太阳光，获得的富碳g-c3n4纳米片具有更低的光生电子和空穴的复合几率，光解水制氢的产量更高。附图说明图1为g-c3n4粗粉的透射电子显微照片；图2为乙醇浓度为10％时，富碳g-c3n4纳米片的透射电子显微照片；图3为g-c3n4粗粉和富碳g-c3n4纳米片的制氢产量对比图。具体实施方式以下结合实施例对本发明作进一步说明，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1一种富碳g-c3n4纳米片及其制备方法，具体步骤如下：(1)一次热氧化：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℃保温4h，获得g-c3n4粗粉；(2)二次热氧化：以步骤(1)中的g-c3n4粗粉为原料，将原料置于烧舟之中，放入密闭的管式炉中，以氮气为载流气，将氮气通过浓度为5％的乙醇溶液中再通入密闭的管式炉中，然后在500℃下保温2h，获得富碳的g-c3n4纳米片。本实施方案制备的富碳g-c3n4纳米片碳氮比为0.90，且得到超薄的g-c3n4纳米片，具有很高的光催化活性，可见光条件下可在25min内实现40mg/l罗丹明b的完全降解，相同条件下，原始g-c3n4的降解率仅为20％。与此同时，这种富碳g-c3n4纳米片光解水制氢气的效率为1688.15μmol·g-1·h-1，而相同条件下，原始g-c3n4的制氢效率仅为184.96μmol·g-1·h-1。实施例2本实施例中富碳g-c3n4纳米片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硫脲。本实施例制备的富碳g-c3n4纳米片碳氮比为0.88，形貌为片状的g-c3n4纳米片，具有较高的光催化活性，可见光条件下可在25min内实现40mg/l罗丹明b完全降解，光解水制氢的效率为1576.43μmol·g-1·h-1。实施例3本实施例中富碳g-c3n4纳米片的制备方法同实施例1，不同的是步骤(1)中的三聚氰胺改为氰氨。本实施例制备的富碳g-c3n4纳米片碳氮比为0.92，形貌为片状的g-c3n4纳米片，具有较高的光催化活性，可见光条件下可在25min内实现40mg/ml罗丹明b完全降解，光解水制氢效率为1584.43μmol·g-1·h-1。实施例4本实施例中富碳g-c3n4纳米片的制备方法同实施例1，不同的是步骤(2)中的二次热氧化温度为450℃。本实施例制备的富碳g-c3n4纳米片碳氮比为0.83，形貌为片状的g-c3n4纳米片，具有较高的光催化活性，可见光条件下可在30min内实现40mg/ml罗丹明b完全降解，光解水制氢效率为1254.38μmol·g-1·h-1。实施例5本实施例中富碳g-c3n4纳米片的制备方法同实施例1，不同的是步骤(2)中的二次热氧化温度为600℃。本实施例制备的富碳g-c3n4纳米片碳氮比为0.89，形貌为片状的g-c3n4纳米片，具有较高的光催化活性，可见光条件下可在20min内实现40mg/ml罗丹明b完全降解，光解水制氢效率为1589.65μmol·g-1·h-1。实施例6本实施例中富碳g-c3n4纳米片的制备方法同实施例1，不同的是步骤(2)中的乙醇浓度为1％。本实施例制备的富碳g-c3n4纳米片碳氮比为0.91，形貌为片状的g-c3n4纳米片，具有较高的光催化活性，可见光条件下可在25min内实现40mg/ml罗丹明b完全降解，光解水制氢效率为1515.40μmol·g-1·h-1。实施例7本实施例中富碳g-c3n4纳米片的制备方法同实施例1，不同的是步骤(2)中的乙醇浓度为10％。本实施例制备的富碳g-c3n4纳米片碳氮比为0.96，形貌为片状的g-c3n4纳米片，具有较高的光催化活性，可见光条件下可在30min内实现40mg/ml罗丹明b完全降解，光解水制氢效率为1687.53μmol·g-1·h-1。实施例8本实施例中富碳g-c3n4纳米片的制备方法同实施例1，不同的是步骤(2)中的保温时间为1h。本实施例制备的富碳g-c3n4纳米片碳氮比为0.85，形貌为片状的g-c3n4纳米片，具有较高的光催化活性，可见光条件下可在30min内实现40mg/ml罗丹明b完全降解，光解水制氢效率为1428.96μmol·g-1·h-1。实施例9本实施例中富碳g-c3n4纳米片的制备方法同实施例1，不同的是步骤(2)中的保温时间为4h。本实施例制备的富碳g-c3n4纳米片碳氮比为0.82，形貌为片状的g-c3n4纳米片，具有较高的光催化活性，可见光条件下可在30min内实现40mg/ml罗丹明b完全降解，光解水制氢效率为1735.28μmol·g-1·h-1。实施例10计算原始g-c3n4以及实施例6和实施例7制备得到的富碳g-c3n4纳米片中c/n的比例如下表1所示：表1计算得到的原始g-c3n4和富碳g-c3n4纳米片的c/n的比例对比表项目c(％)n(％)c/nbulkg-c3n441.9655.780.75g-c3n4(1％c2h5oh)46.2950.940.91g-c3n4(10％c2h5oh)47.6849.910.96从表1中可以看出：随着乙醇的加入，g-c3n4纳米片的碳氮比有了明显的提高，当乙醇水溶液的浓度为1％时，其二次热氧化得到的富碳g-c3n4纳米片的c/n值为0.91，与原始g-c3n4相比提高了0.16，随着乙醇浓度的升高，二次热氧化得到的g-c3n4纳米片中的c/n的比例也随着提高,当乙醇水溶液的浓度为10％时，其c/n增加至0.96。当前第1页12