一种气相酸化g-C3N4纳米片及其制备方法与流程

本发明涉及纳米材料和光催化析氢术领域，具体涉及一种气相酸化g-c3n4纳米片及其制备方法。

背景技术：

随着全球城市化发展的不断深入，工业化程度越来越高，对传统化石能源的依赖也越来越大，因此随之而来的能源危机成为了全人类必须面对的严峻问题。因此，需要一种绿色、环保、可持续的方法解决能源短缺问题。利用光催化技术将这几乎取之不尽，用之不竭的太阳能转化为氢能，光催化水裂解引起了许多科研工作者极大的关注。其中g-c3n4纳米材料在光催化及光催化水裂解方面具有很好的发展前景。相对于其它已研究的光催化剂中，石墨碳化物(g-c3n4)由于其合适的带隙，无毒性，可调电子结构和高化学稳定性而成为半导体催化剂的新星。但是，g-c3n4粗粉团聚现象较为严重，呈现几个微米大小的块状形态，这也就导致了反应的活性位点较少，不利于光催化过程的进行。对g-c3n4粗粉进行有效的剥离刻蚀，得到尺寸更小比表面积更大的g-c3n4纳米片，进而提升其光催化性能，采用超声剥离、液相剥离和热氧化剥离来获得片层更薄尺寸更小的g-c3n4纳米片是最为常见的方法。但是采用超声剥离的方法获得g-c3n4纳米片产率并不高，不利于样品的大量合成制备。液相剥离的过程中溶剂可能会残存在催化剂中，进而影响其光催化性能。热氧化剥离的方法虽然较为便捷，但是剥离的效果仍未能达到一个较为理想的状态。这些较为常见的剥离方法都有一些或多或少的缺陷。因此需要一种更为高效的剥离方法来制备出尺寸更小比表面积更大的g-c3n4纳米片。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是：提供一种气相酸化g-c3n4纳米片及其制备方法，旨在获得细小弥散的g-c3n4纳米片，降低团聚现象使其在催化表面具有更多的活性位点，以提高g-c3n4纳米片在可见光照射下的光催化性能，可有效应用于光催化和光电化学检测技术领域。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种气相酸化的g-c3n4纳米片的制备方法，包括以下步骤：

(1)含氮有机原料通过高温煅烧获得g-c3n4粗粉；

(2)将g-c3n4粗粉置于管式炉内，将氮气按固定的流速通过酸性溶液，再将氮气通入管式炉中，加热保温一定时间后制备出g-c3n4纳米片。

优选地，步骤(1)中煅烧温度为500～550℃，保温时间为2～4h。

优选地，步骤(1)中的含氮有机原料为尿素、三聚氰胺、氰胺和双氰胺中的一种或者几种的混合物。

优选地，步骤(2)中的氮气通过酸性溶液的流速为0.1～1l/min。

优选地，步骤(2)中的酸性溶液为硝酸或盐酸中的一种或者两者的混合物。

优选地，步骤(2)中的酸性溶液的浓度为1～5mol/l。

优选地，步骤(2)中的煅烧温度为450～550℃，保温时间为2～8h。

一种通过上述方法制得的气相酸化的g-c3n4纳米片，g-c3n4纳米片表面具有波纹状且高比表面积。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明的气相酸化的g-c3n4纳米片的制备方法，相较于传统的超声剥离、液相剥离和热氧化剥离制备方法，所得到的g-c3n4纳米片不宜团聚，比表面积更大，能够提供更多的有效反应活性位点，有利于催化反应的进行，提高其光催化活性及水裂解析氢效率。

本发明的g-c3n4纳米片是利用挥发性酸的强氧化性对g-c3n4粗粉进行高温气相剥离获得。本发明制得的气相酸化的g-c3n4纳米片在催化表面具有更多的活性位点，以提高g-c3n4纳米片在可见光照射下的光催化性能，可有效应用于光催化和光电化学检测技术领域。

附图说明

图1所示为高温煅烧得到的g-c3n4粗粉和实施例1，2和3制备的g-c3n4纳米片光解水析氢性能对比。

图2所示所示为含氮有机原料直接煅烧出的g-c3n4和实施例3制备的g-c3n4的tem形貌对比。(i)含氮有机原料直接煅烧，(ii)实施例3样品形貌。

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作的举例和说明，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

一种气相酸化g-c3n4纳米片的制备方法，包括以下步骤：

(1)以三聚氰胺为原料，将三聚氰胺加热至550℃，保温4h，制备出g-c3n4粗粉；

(2)将g-c3n4粗粉置于管式炉的中间位置，先将氮气通过装有浓度为1mol/l的硝酸溶液中，随后将氮气通入管式炉中，升温至500℃，随后保温2h，获得气相酸化的g-c3n4纳米片。

经测试，按照上述步骤制备出的g-c3n4纳米片，在可见光照射下，光解水析氢速率为3817μmol·h-1·g-1，为未经气相酸化g-c3n4粗粉析氢速率的7.2倍。

实施例2

本实施例的制备方法同实施例1，不同的是步骤(2)中保温时间为3h。

本实施例获得的相酸化的样品，g-c3n4纳米片变得更加轻薄，无较为明显的团聚现象，比表面积也增大，样品经测试，在可见光照射下，光解水析氢速率为5360μmol·h^-1·g^-1，为未经气相酸化g-c3n4粗粉析氢速率的10.2倍。

实施例3

本实施例的制备方法同实施例1，不同的是步骤(2)中保温时间为5h。

本实施例获得的相酸化的样品，g-c3n4纳米片变得更加轻薄，无较为明显的团聚现象，比表面积也增大，经测试，在可见光照射下，光解水析氢速率为7666μmol·h^-1·g^-1，为未经气相酸化g-c3n4粗粉析氢速率的14.5倍。

实施例4

本实施例的制备方法同实施例3，不同的是步骤(2)中将温度加热至550℃。

本实施例获得的相酸化的样品，g-c3n4纳米片变得更加轻薄，无较为明显的团聚现象，比表面积也增大，经测试，在可见光照射下，光解水析氢速率为6844μmol·h^-1·g^-1，为未经气相酸化g-c3n4粗粉析氢速率的12.9倍。

实施例5

本实施例的制备方法同实施例1，不同的是步骤(3)中硝酸溶液浓度改为2mol/l。

本实施例获得的相酸化的样品，g-c3n4纳米片变得更加轻薄，无较为明显的团聚现象，比表面积也增大，经测试，在可见光照射下，光解水析氢速率为6530μmol·h^-1·g^-1，为未经气相酸化g-c3n4粗粉析氢速率的12.3倍。

实施例6

本实施例的制备方法同实施例4，不同的是步骤(2)中硝酸溶液浓度改为5mol/l。

本实施例获得的相酸化的样品，g-c3n4纳米片变得更加轻薄，无较为明显的团聚现象，比表面积也增大，经测试，在可见光照射下，光解水析氢速率为5119μmol·h^-1·g^-1，为未经气相酸化g-c3n4粗粉析氢速率的9.7倍。

实施例7

本实施例的制备方法同实施例5，不同的是步骤(1)中酸溶液改为盐酸溶液。

本实施例获得的相酸化的样品，g-c3n4纳米片变得更加轻薄，无较为明显的团聚现象，比表面积也增大，经测试，在可见光照射下，光解水析氢速率为7253μmol·h^-1·g^-1，为未经气相酸化g-c3n4粗粉析氢速率的9.9倍。

实施例8

本实施例的制备方法同实施例1，不同的是步骤(1)中以尿素和三聚氰胺质量比1：1为混合为原料。

本实施例获得的相酸化的样品，g-c3n4纳米片变得更加轻薄，无较为明显的团聚现象，比表面积也增大，经测试，在可见光照射下，光解水析氢速率为5653μmol·h^-1·g^-1，为未经气相酸化g-c3n4粗粉析氢速率的10.7倍。

图1所示为实施例1的步骤(1)高温煅烧得到的g-c3n4粗粉和实施例1、2和3制备的g-c3n4纳米片光解水析氢性能对比。

从图中可以看出经气相酸化的g-c3n4纳米片其光催化水裂解析氢性能得到了大幅度提升。

图2所示所示为含氮有机原料直接煅烧出的g-c3n4和实施例3制备的g-c3n4的tem形貌对比。(i)含氮有机原料直接煅烧，(ii)实施例3样品形貌。

由图中可以明显看出含氮有机原料直接煅烧出的g-c3n4团聚现象严重，实施例3制备的g-c3n4呈波纹状，无较为明显的团聚现象，粒径变小，比表面积变大。