一种绿色高效制备石墨相氮化碳纳米片的方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种绿色高效制备石墨相氮化碳纳米片的方法和应用。该方法以层状石墨相氮化碳材料为原料，通过在石墨相氮化碳表面修饰Pt纳米颗粒，得到Pt/石墨相氮化碳；将Pt/氮化碳置于管式炉中，并通入高温水蒸汽处理，即可得到石墨相氮化碳纳米片。本发明专利技术提供的制备方法，过程简单，条件温和可控，石墨相氮化碳纳米片收率高。所得石墨相氮化碳纳米片比表面积显著增大，电荷分离显著提升，具有良好的光催化性能。

A green and efficient method for preparing graphite phase carbon nitride nanosheets and its application

The invention discloses a green and efficient method for preparing graphite phase carbon nitride nanosheets and its application. In this method, the graphite phase carbon nitride material is used as the raw material. By modifying the Pt nanoparticles on the surface of graphite phase nitriding, the Pt/ graphite phase carbon nitride is obtained. The graphite nitride carbon nanoscale can be obtained by placing Pt/ carbon nitride in a tubular furnace and through high temperature water vapor treatment. The preparation method provided by the invention has simple process, mild and controllable conditions, and high yield of graphite phase carbon nitride nanosheets. The specific surface area of graphite phase carbon nitride nanosheets increased significantly, and the charge separation increased significantly.

【技术实现步骤摘要】
一种绿色高效制备石墨相氮化碳纳米片的方法和应用
本专利技术属于纳米材料制备
，具体涉及一种绿色高效制备石墨相氮化碳纳米片的方法和应用。
技术介绍
氮化碳有五种同素异形体，即α相、β相、立方相、准立方相和石墨相，其中石墨相结构最为稳定。石墨相氮化碳以其良好的化学稳定性、合适的能带结构、结构可控、合成简单等特性在光催化污染物降解、光解水制氢、光催化有机合成、光催化二氧化碳还原等研究领域已经得到了广泛地应用。最近，石墨相氮化碳在太阳能电池、燃料电池、热催化、生物医学等方面也逐渐得到应用。然而，石墨相氮化碳作为光催化剂还存在一些问题，如比表面积小、激子结合能高、对可见光响应有限等。针对上述这些问题，研究人员从优化合成方法、和其它半导体复合改性、掺杂改性、助催化剂修饰、结构纳米化等方面调控石墨相氮化碳的理化性质，不同程度的都提高了石墨相氮化碳的光催化性能。与体相结构的相比，经过结构纳米化的石墨相氮化碳光催化剂比表面积显著增大，其光催化性能明显改善。目前，研究人员已经合成得到一系列具有特殊形貌结构的石墨相氮化碳，如石墨相氮化碳纳米棒、石墨相氮化碳纳米管等，有效推动了石墨相氮化碳光催化剂材料的发展。由于石墨相氮化碳具有类石墨层状结构，因此将其薄层化也可以有效增加其比表面积，从而改善其光催化活性。目前主要的剥离方法有液相剥离和热剥离。热剥离法是将石墨相氮化碳在空气中进行热氧化处理，多层的氮化碳被层层氧化刻蚀后即可得到少数层石墨相氮化碳纳米片(Adv.Funct.Mater.,2012,22:4763-4770)。液相法一般选用水、异丙醇或者酸为溶剂/插层剂，通过超声辅助剥离可以得到的片层结构的石墨相氮化碳(J.Am.Chem.Soc.,2013,135,18-21；Adv.Mater.,2013,25:2452)。然而，目前大部分剥离方法仍存在经常使用有机溶剂、可控性差、石墨相氮化碳纳米片厚度不均、收率较低等关键问题。因此，开发绿色、可控且高效的剥离方法仍是当前研究的重点和难点，这也制约了石墨相氮化碳纳米片在光催化及其它领域的应用。我们前期研究发现水蒸汽在高温下和氮化碳可以发生水蒸汽-CN重整反应，从而实现层状石墨相氮化碳的剥层。但是该过程反应需要较高的温度和较长的反应时间，因此亟待研制快速高效水蒸汽剥层新方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术不足，提供一种绿色高效制备石墨相氮化碳纳米片的方法和应用。主要利用金属催化水蒸汽重整反应，从而加速促进水蒸汽对层状石墨相氮化碳的剥层，进而快速高效合成石墨相氮化碳纳米片，解决了目前石墨相氮化碳纳米片合成产率低、可控性差以及制备过程存在污染等问题。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种绿色高效制备石墨相氮化碳纳米片的方法，其特征在于，包括以下步骤：1)以便宜的三聚氰胺为原料，通过高温煅烧聚合（550℃），得到黄色的体相结构的石墨相氮化碳材料；2)将步骤1)所得体相结构的石墨相氮化碳材料分散在水中，加入适量氯铂酸，真空条件下，可见光照射1-4h（最佳反应时间2h），反应温度为5-30℃（最佳温度15℃）；反应结束后，固体产物依次利用乙醇和水进行洗涤，得到Pt/石墨相氮化碳；其中Pt在石墨相氮化碳表面的负载量为0.1-3wt%；3)将步骤2）中制备的Pt/石墨相氮化碳，放入管式炉中，并通入水蒸汽/Ar混合气，高温热处理，降温后即制得所述石墨相氮化碳纳米片。步骤3)中，利用水蒸汽/Ar混合气进行高温热处理的的工艺参数为：热处理温度为100-600℃，处理时间为0.5-8h；上述热处理过程中，通入水蒸汽和Ar的体积比为1/10000-1/10，最佳为200-500；上述热处理过程中，水蒸汽的泵入量为0.1-100mL/h，氩气的流速为10-300mL/min；上述热处理过程中，管式炉的升温速率为1-20℃/min，最佳控制在15-18℃/min。本专利技术的显著优点在于：(1)本专利技术合成的石墨相氮化碳纳米片的收率高，容易实现规模化制备；(2)本专利技术合成过程绿色、温和，剥离过程仅利用水分子就可实现石墨相氮化碳的插层和剥离；(3)本专利技术方法合成成本低，合成过程只需要通入适量水蒸汽，不需要特殊的设备；(4)本专利技术制备的石墨相氮化碳纳米片比表面积大，且在合成纳米片的过程中引入的缺陷有利于提升电子和空穴的分离，从而有效提高光催化性能。附图说明图1为体相石墨相氮化碳和本专利技术实施例1合成得到的石墨相氮化碳纳米片的X射线粉末衍射图(XRD)；图2为实施例1合成得到的石墨相氮化碳纳米片的原子力显微镜图(AFM)；图3为体相石墨相氮化碳和本专利技术实施例1合成得到石墨相氮化碳纳米片的紫外-可见吸收光谱图；图4为体相石墨相氮化碳和本专利技术实施例1制备得到的石墨相氮化碳纳米片在可见光照射下的光催化产氢性能。具体实施方式以下是本专利技术的几个实施例，进一步说明本专利技术，但是本专利技术不仅限于此。实施例1(1)取三聚氰胺10g加入到带盖陶瓷坩埚中，于马弗炉中进行高温聚合，聚合温度550℃，恒温三个小时，冷却后得到黄色体相石墨相氮化碳；将样品研磨得到黄色粉末，即石墨相氮化碳；(2)取0.3g上述石墨相氮化碳，分散到100mL水中，并加入0.5mL氯铂酸（氯铂酸浓度为1g/100mL），抽真空后，利用氙灯光源照射4h，反应温度为15℃；待反应结束将上述样品，利用乙醇和水洗涤，得到Pt/石墨相氮化碳；(3)取0.2g步骤2)制得的Pt/石墨相氮化碳，于管式炉中通入水蒸汽/Ar混合气，混合气体的流量为100mL/min，水蒸汽的泵入量为（6mL/h），氩气的流速为（99.9mL/min）；水蒸汽和Ar的体积比为1:1000；反应处理温度为500℃，反应时间3h，升温速率5℃/min。待上述反应降温至室温，即可得到石墨相氮化碳纳米片。图1是石墨相氮化碳（体相）和本专利技术合成的石墨相氮化碳纳米片的XRD图，可以发现石墨相氮化碳纳米片的(002)衍射峰强度显著减弱，说明体相层状石墨相氮化碳已经被成功剥离成薄层的纳米片结构。图2的AFM图显示，石墨相氮化碳纳米片厚度约为1nm。图3为石墨相氮化碳和本专利技术合成的石墨相氮化碳纳米片紫外可见吸收光谱图。图4是石墨相氮化碳和本专利技术制备得到的石墨相氮化碳纳米片在可见光照射下的光催化产氢性能。通过对比，本专利技术制备得到的石墨相氮化碳纳米片展示了优异的光催化活性。实施例2(1)取三聚氰胺10g加入到带盖陶瓷坩埚中，于马弗炉中进行高温聚合，聚合温度550℃，恒温三个小时，冷却后得到黄色体相石墨相氮化碳；将样品研磨得到黄色粉末，即石墨相氮化碳；(2)取0.3g上述石墨相氮化碳，分散到100mL水中，并加入0.5mL氯铂酸（氯铂酸浓度为1g/100mL），抽真空后，利用氙灯光源照射4h，反应温度为（12℃）；待反应结束将上述样品，利用乙醇和水洗涤，得到Pt/石墨相氮化碳；(3)取0.3g步骤2)制得的Pt/石墨相氮化碳，于管式炉中通入水蒸汽/Ar混合气，混合气体的流量为100mL/min，水蒸汽的泵入量为（12mL/h），氩气的流速为（99.8mL/min）；水蒸汽和Ar的体积比为1:500；反应处理温度为500℃，反应时间3h，升温速率5℃/min。待上述反应降温至室温，即可得到石墨相氮化碳纳本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种绿色高效制备石墨相氮化碳纳米片的方法，其特征在于，包括以下步骤：1) 以三聚氰胺为原料，进行高温煅烧聚合，得到黄色石墨相氮化碳材料；2) 将步骤1) 所得石墨相氮化碳材料研磨后，分散在水中，加入氯铂酸，真空条件下，可见光照射1‑4 h，反应温度为5‑30 ℃，反应结束后，将所得固体产物依次用乙醇和水进行洗涤，得到Pt/石墨相氮化碳；3）将步骤2) 得到的Pt/石墨相氮化碳置于管式炉中，并通入水蒸汽/Ar混合气，进行热处理，降温后即制得所述石墨相氮化碳纳米片。

【技术特征摘要】
1.一种绿色高效制备石墨相氮化碳纳米片的方法，其特征在于，包括以下步骤：1)以三聚氰胺为原料，进行高温煅烧聚合，得到黄色石墨相氮化碳材料；2)将步骤1)所得石墨相氮化碳材料研磨后，分散在水中，加入氯铂酸，真空条件下，可见光照射1-4h，反应温度为5-30℃，反应结束后，将所得固体产物依次用乙醇和水进行洗涤，得到Pt/石墨相氮化碳；3）将步骤2)得到的Pt/石墨相氮化碳置于管式炉中，并通入水蒸汽/Ar混合气，进行热处理，降温后即制得所述石墨相氮化碳纳米片。2.如权利要求1所述一种绿色高效制备石墨相氮化碳纳米片的方法，其特征在于，步骤1)中高温煅烧聚合的温度为550℃。3.如权利要求1所述一种绿色高效制备石墨相氮化碳纳米片的方法，其特征在于，步骤2)中，所述Pt/石墨相氮化碳表面Pt的负载量为0.1-3wt%。4.如权利要求1所述一种绿色高效制备石墨相氮化碳纳米片...

【专利技术属性】
技术研发人员：王心晨，杨朋举，汪锐睿，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：福建,35