本发明专利技术公开了一种分子级厚度的C3N4纳米片及其制备方法和应用，属于材料制备和光催化的技术领域。本发明专利技术在水/乙醇混合体系中通过超声波处理-搅拌相结合的方法制备分子级厚度的C3N4纳米片光催化剂。催化剂的制备分两步进行：第一步为固相热聚合法合成体相的C3N4前驱物；第二步为超声波处理-搅拌相结合剥离制备C3N4纳米片。本发明专利技术所制备的C3N4纳米片光催化剂具有高比表面积，光生载流子分离效率高，能够高效降解有机污染物，特别是对印染废水的高效脱色。同时，在光解水制氢和光催化选择性氧化醇类等方面也具有高的活性。催化剂制备工艺简单，成本低，生产过程绿色环保，催化剂稳定性高，符合实际生产需要，有较大的应用潜力。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于材料制备和光催化
，具体涉及一种分子级厚度的C3N4纳米片及其在水/乙醇混合体系中的制备方法和应用。
技术介绍
光催化技术由于其反应彻底、反应条件温和、兼具氧化还原能力等优点，近年来迅速发展为一种可利用太阳能进行环境净化和能源转化的新技术，成为目前最受关注的研究热点。但目前半导体光催化仍存在量子效率低等关键核心科学问题，使其发展受到极大制约。而解决的关键仍在于光催化剂上，因此，国内外学者在提高光催化剂的光量子效率方面做了大量的探索工作:如，在二氧化钛光催化剂的修饰、改性等方面做了大量的探索并取得了一定进展，同时也积极开发新型非二氧化钛光催化剂。虽然这些研究工作大大推动了光催化发展，光催化剂对于特定的反应其量子效率有所提高，但实际应用中催化剂的活性和稳定性仍然不理想。因此寻找和开发新型高效的光催化剂，仍然是目前乃至今后相当一段时期内光催化领域中的研究焦点。在各种已发展的新光催化材料中，非金属有机聚合物半导体一石墨相氮化碳因其原料来源广泛、稳定性高、具有合适的能带结构、对可见光响应等被认为是一类很有前途的光催化剂，应用于可见光光催化分解水制氢和有机物转化中，实现太阳能到化学能的转换。然而，已报道的体相的氮化碳光催化剂存在着一些固有的缺陷，使其光催化活性较低。目前，体相的氮化碳主要是通过高温、高压的固相合成法制备得到，这使得所制备的样品存在大量的界面缺陷，引起了光生载流子的界面复合严重。虽然一些研究者通过开发介孔氮\k^XEnergy Environ.ScL 2011, 4，4668-4674)、非金属兀素惨杂改性(Angew.Chem.1nt.Ed.2010, 49，441-444 J.Am.Chem.Soc.2010, 132, 11642-11648)来改变氮化碳的能带结构和增强其光吸收性能，进而提高其光催化活性，但是氮化碳的量子效率仍然相当低。研究表明，分子级厚度(0`.5-3 nm)的二维纳米片由于量子尺寸效应和表面结构效应具有高的导电率和光响应，光生载流子分离率高，超高的活性位点暴露比例(接近100%)，大的比表面积。因此，如果能将氮化碳光催化剂开发制备成分子级厚度的二维纳米片将有效解决上述氮化碳光催化剂存在的问题，极大的提高其光催化性能。基于这个思路，已经发现了一些氮化碳二维纳米片在光解水制氢方面展示出优异的光催化活性，如Liu等(Α/κFund.Mater.2^)12,22, 4763-4770)利用热刻蚀的方法制备出氮化碳二维纳米片，其光解水产氢性能提高了 4.4倍，70%的光生载流子的寿命得到延长。虽然这种方法工艺简单，但也存在很多问题，如可控性不强，制备的纳米片比较厚，产率很低(<6%)。XieO； Am.Chem.Soc.2012，135，18-21)和 Yang (Adv.Mater.2013，激，2452-2456)等采用液相法，在单一的水、异丙醇、甲酰胺、丙酮等溶剂中，将商品的体相氮化碳制成氮化碳二维纳米片。所制备的氮化碳纳米片的可见光光解水能力得到有效增强。虽然他们发展起来的方法能够制备氮化碳纳米片，但是制备出来的纳米片悬池液浓度低《 0.15 mg/mL)、片层厚度大O 3nm)、产率低等关键问题仍未解决。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种分子级厚度的C3N4纳米片及其制备方法和应用，解决目前制备C3N4纳米片存在的剥离效率低、悬浊液浓度太低、纳米片产率低、毒性有机溶剂使用等问题。本专利技术的分子级厚度的C3N4纳米片，光生载流子的分离效率高，在光催化废水处理、光解水和选择性氧化醇类等领域均表现出很高的光催化活性。该制备方法简单易行、生产过程绿色环保、不需要复杂昂贵的设备、合成条件温和，成本低，催化剂稳定性好，具有较大的应用潜力。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案: 一种分子级厚度的C3N4纳米片为石墨相C3N4有机聚合物半导体，其比表面积为50-3001112/^，片厚度为0.5 -3 nm，长宽为100-2000 nm，禁带宽度大于2.8 eV，能够有效分离光生载流子。制备如上所述的分子级厚度的C3N4纳米片的方法，是以三聚氰胺热聚合得到的层状的C3N4为前驱物，在水/乙醇混合体系中通过超声-搅拌相结合的方法制备浓度为0.3-3mg/mL的分子级厚度的C3N4纳米片悬浊液，最后通过离心手段得到C3N4纳米片固体粉末。包括以下步骤:(1)取1-20 g的三聚氰胺于坩埚中，置于马弗炉中550°C煅烧4 h，制备体相的层状C3N4前驱体；(2)取0.2-1 g体相的层状C3N4前驱体放入500 mL烧杯中，向烧杯中加入20-150 mL的去离子水和10-205 mL的乙醇，然后先超声波处理1_6 h，后搅拌0.5-24h，再超声波处理1-6 h，最后以3000转/分钟的转速离心，去除层状的C3N4沉淀，得到高浓度的分子级厚度的C3N4纳米片悬浊液，最后于10000转/分钟高速离心下制得分子级厚度的C3N4纳米片。所述的分子级厚度的C3N4纳米片作为光催化剂用于降解污染物，特别是对印染废水的高效脱色；或应用于光解水制氢和光催化选择性氧化醇类。本专利技术的显著优点在于: (I)本专利技术首次利用水/乙醇混合溶剂，通过超声波处理-搅拌相结合的剥离方法，制备出高浓度的分子级厚度的C3N4纳米片，所制备的纳米片具有大的比表面积，光生载流子能有效分离等特点。(2)与文献报道的方法相比，本专利技术使用的溶剂环境友好，制备得到的纳米片悬浊液浓度闻，纳米片广率闻，避免有毒有机溶剂的使用，制得的纳米片尺寸均勻、大小可调，厚度更小。(3)本专利技术的整个工艺过程简单易控制，生产过程绿色环保，能耗低，不需要复杂昂贵的设备、合成条件温和，成本低，催化剂稳定性好，具有较大的应用潜力。(4)分子级厚度的C3N4纳米片能高效地光催化处理印染废水、光解水产氢和选择性氧化醇类等，同时具有良好的活性稳定性。在光催化反应体系中光催化剂可再生能力强，重复利用率高，具有很高的实用价值和应用前景。附图说明图1为分子级厚度的C3N4纳米片的制备流程示意图。图2为实施例1所得的分子级厚度的C3N4纳米片的X射线粉末衍射图(XRD)。图3为实施例1所得的分子级厚度的C3N4纳米片的原子力扫描显微镜图(AFM)。图4为实施例1所得的分子级厚度的C3N4纳米片、层状的C3N4和商品TiO2对RhB的降解效果比较图。具体实施例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 首先是体相C3N4前驱体的制备，称取15 g的三聚氰胺于坩埚中，置于马弗炉中550°C煅烧4 h，研磨后备用；于烧杯中将0.5 g的体相C3N4前驱体加入90 mL的去离子水和105mL的乙醇，然后将烧杯置于超声机中超声4 h，后将烧杯置于搅拌器中搅拌14 h，再超声4h，得到悬浊液，于3000转/分钟的转速下离心，去除沉淀，最后再于10000转/分钟的高速离心下，即可得到分子级厚度的C3N4纳米片光催化剂。实施例2 首先是体相C3N4前驱体的制备，称取10 g的三聚氰胺于坩埚中，置于马弗炉中550°C煅烧4 h，研磨后备用；于烧杯中将0.3 g的体相C3N4前驱体加入60 mL的去离子水和70 m本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种分子级厚度的C3N4纳米片，其特征在于：所述的C3N4纳米片为石墨相C3N4有机聚合物半导体。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：梁诗景，林秋燕，毕进红，刘明华，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：
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