本發(fā)明屬于納米材料以及光降解領域，尤其涉及一種g-c3n4納米片及其制備方法與應用。

背景技術：

以半導體為催化劑的多相光催化反應由于其反應條件溫和，直接利用太陽光、深度礦化等獨特的優(yōu)勢，在太陽能轉化和環(huán)境污染治理方面有巨大的潛力。半導體材料將太陽能直接轉化為能源燃料和化學能，一直被視為一種綠色可持續(xù)的途徑，能用于應對未來的能源和環(huán)境危機。光催化反應是在太陽光作為驅動力，用適當?shù)陌雽w材料進行大量催化反應，如水分裂產生h2和o2，還原二氧化碳合成碳氫燃料，有機污染物的降解，水體殺菌消毒和有機化合物的選擇性合成。

石墨相氮化碳(g-c3n4)聚合物材料由于其合成簡單、適中的電子能帶結構、物理化學穩(wěn)定性好和原料豐富的特點，成為了研究者心中的下一代光催化劑。g-c3n4材料由于存在電子與空穴的復合率高、電子電導率低和無法利用460nm以上的太陽光等不足，使其在光催化領域的應用受到限制。目前，優(yōu)化g-c3n4材料光催化性能的方法包括合成路線的設計、電子結構的調控和納米結構的設計。共聚和摻雜是修飾g-c3n4材料的電子結構和能帶調控的有效方式，通過軟模板、硬模板和剝離可以改變g-c3n4材料的形貌和納米化。朱永法等(chemicalexfoliationofgraphiticcarbonnitrideforefficientheterogeneousphotocatalysis[j].journalofmaterialschemistrya,2013,1(46):14766.(化學剝離石墨型碳氮材料制得高效異相光催化劑))發(fā)現(xiàn)將普通體相g-c3n4材料在濃硫酸中處理八個小時可得到單層g-c3n4材料，可以大大提高材料的比表面積和光生載流子的轉移效率。然而，該制備方法及現(xiàn)有的其他制備g-c3n4納米片的方法均存在處理時間長，濃酸環(huán)境對設備要求高等不足，無法同時滿足尺寸大、納米片層數(shù)可控、操作簡單、周期短、成本低等要求，和實際的工業(yè)合成還有一定的差距，因此g-c3n4納米片的制備仍然是今后研究的重點。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術問題是，克服以上背景技術中提到的不足和缺陷，提供一種g-c3n4納米片及其制備方法與應用。

為解決上述技術問題，本發(fā)明提出的技術方案為：

一種g-c3n4納米片，所述納米片片層厚度為1-200nm，比表面積為10-200m²g^-1。

作為一個總的發(fā)明構思，本發(fā)明還提供一種上述的g-c3n4納米片的制備方法，包括以下步驟：

(1)將含碳氮有機物與三聚氰酸研磨混合，制備前驅體；

(2)將前驅體倒入坩堝中進行煅燒，反應得到g-c3n4納米片。

申請人研究發(fā)現(xiàn)，三聚氰酸結構與三聚氰胺類似，為三嗪環(huán)結構，且極易分解，在煅燒過程中產生含co2，nh3和h2o氣體的熱流，能將塊狀的g-c3n4材料熱剝離成納米片狀的g-c3n4材料。將三聚氰酸加入含碳氮有機物中，通過兩者的比例調控，利用高溫分解反應防止碳氮化合物聚合過程中進一步堆砌形成塊狀材料，可以得到納米片狀、高比表面積的g-c3n4材料，從而提供更多活性反應點和促進光生電子-空穴的分離效率，進而提高光催化效率。

上述的制備方法，優(yōu)選的，所述步驟(1)中三聚氰酸與含碳氮有機物的摩爾比為1:9-9:1。申請人經(jīng)過實驗驗證發(fā)現(xiàn)，隨著三聚氰酸摩爾量的增加，g-c3n4材料的片層變薄，納米片層結構更為明顯，而當三聚氰酸與含碳氮有機物的摩爾比高于9:1時，將無法形成g-c3n4材料。

上述的制備方法，優(yōu)選的，所述含碳氮有機物含有或能聚合形成三嗪環(huán)結構，為三聚氰胺、氰胺、二氰胺中的一種或多種。

上述的制備方法，優(yōu)選的，所述含碳氮有機物為三聚氰胺，所述三聚氰酸與三聚氰胺的摩爾比為9:1。

上述的制備方法，優(yōu)選的，所述含碳氮有機物為二氰胺，所述三聚氰酸與二氰胺的摩爾比為2:3。

上述的制備方法，優(yōu)選的，所述含碳氮有機物為氰胺，所述三聚氰酸與氰胺的摩爾比為2:3。

上述的制備方法，優(yōu)選的，所述步驟(2)中，煅燒過程是以2-10℃/min的升溫速率升溫，煅燒溫度為300℃-1000℃，時間為0.5-10h。

上述的制備方法，優(yōu)選的，所述步驟(2)中反應是在空氣、氮氣、氬氣、二氧化碳和/或氦氣氣氛下進行的，更優(yōu)選的是在空氣氣氛下進行。

作為同一個發(fā)明構思，本發(fā)明還提供一種上述的制備方法得到的g-c3n4納米片在污水處理領域中的應用。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于：

1、本發(fā)明制備得到的g-c3n4納米片可廣泛應用于能源、環(huán)境、醫(yī)學等領域，如光降解水、有機物制備、殺菌等。其具有可見光響應、合適的帶隙和高比表面積，可以高效利用太陽能，是具有良好的性能的光降解材料。本發(fā)明制備的尤其是厚度為1-10nm的g-c3n4納米片，可以應用于污水處理中，由于其納米結構使得材料與苯酚的相互接觸面積變大，可見光苯酚降解測試中開始30min苯酚去除率高達78.8％。

2、本發(fā)明的制備方法經(jīng)濟環(huán)保、流程簡單、制備工藝中廢物排放少，適合工業(yè)化生產。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本發(fā)明實施例1制備g-c3n4納米片的掃描電鏡(sem)圖；

圖2是本發(fā)明實施例2制備g-c3n4納米片的掃描電鏡(sem)圖；

圖3是本發(fā)明實施例3制備g-c3n4納米片的掃描電鏡(sem)圖；

圖4是本發(fā)明實施例1制備g-c3n4納米片的原子力顯微鏡(afm)圖；

圖5是本發(fā)明實施例1制備g-c3n4納米片的氮吸附曲線圖；

圖6是本發(fā)明制備的g-c3n4納米片的紫外漫反射曲線圖；

圖7是本發(fā)明制備的g-c3n4納米片的苯酚降解曲線圖。

具體實施方式

為了便于理解本發(fā)明，下文將結合說明書附圖和較佳的實施例對本文發(fā)明做更全面、細致地描述，但本發(fā)明的保護范圍并不限于以下具體實施例。

除非另有定義，下文中所使用的所有專業(yè)術語與本領域技術人員通常理解含義相同。本文中所使用的專業(yè)術語只是為了描述具體實施例的目的，并不是旨在限制本發(fā)明的保護范圍。

除非另有特別說明，本發(fā)明中用到的各種原材料、試劑、儀器和設備等均可通過市場購買得到或者可通過現(xiàn)有方法制備得到。

實施例1：

一種本發(fā)明的g-c3n4納米片，片狀結構如圖1所示，原子力顯微鏡(afm)圖如圖4所示，氮吸附曲線圖如圖5所示。由圖4、圖5可知，本實施例制備的g-c3n4納米片片層厚度為3.07nm，比表面積為103.24m²/g。

本實施例的g-c3n4納米片的制備方法，包括以下步驟：

(1)稱取2.31g三聚氰酸和0.26g三聚氰胺(三聚氰酸與三聚氰胺的摩爾比為9:1)在研缽中混合研磨30min，制備前驅體；(2)將前驅體轉移至坩堝中，將坩堝置于馬弗爐中在空氣氣氛下550℃下煅燒4h，自然冷卻至室溫，得到g-c3n4納米片。

稱取10mg制得的材料分散在100ml10mg/l的苯酚溶液中，暗處理30min后開始用可見光照射210min，每30min取樣進行液相色譜分析得苯酚降解率。

實施例2：

一種本發(fā)明的g-c3n4納米片，片狀結構如圖2所示，其片層厚度為10nm，比表面積為比表面積為31.21m²/g。

本實施例的g-c3n4納米片的制備方法，包括以下步驟：

(1)稱取2.06g三聚氰酸和0.52g三聚氰胺在研缽中混合研磨30min，(三聚氰酸與三聚氰胺的摩爾比為4:1)制備前驅體；(2)將前驅體轉移至坩堝中，將坩堝置于馬弗爐中在空氣氣氛下550℃下煅燒4h，自然冷卻至室溫，得到g-c3n4納米片。

稱取10mg制得的材料分散在100ml10mg/l的苯酚溶液中，暗處理30min后開始用可見光照射210min，每30min取樣進行液相色譜分析得苯酚降解率。

實施例3：

一種本發(fā)明的g-c3n4納米片，其片狀結構如圖3所示，其片層厚度為20nm，比表面積為24.37m²/g；結合圖1、圖2可以看出，本實施例制備的g-c3n4納米片與實施例1、2相比較厚。

本實施例的g-c3n4納米片的制備方法，包括以下步驟：

(1)稱取1.29g三聚氰酸和1.26g二氰胺(三聚氰酸與二氰胺的摩爾比為2:3)在研缽中混合研磨30min，制備前驅體；(2)將前驅體轉移至坩堝中，將坩堝置于馬弗爐中在空氣氣氛下550℃下煅燒4h，自然冷卻至室溫，得到g-c3n4納米片。

稱取10mg制得的材料分散在100ml10mg/l的苯酚溶液中，暗處理30min后開始用可見光照射210min，每30min取樣進行液相色譜分析得苯酚降解率。

將實施例1、2及3制備的g-c3n4納米片進行紫外可見漫反射測試，如圖6所示，由圖可知：實施例1、2所制得的g-c3n4納米片對可見光的吸收從500nm開始；實施例3所制得的g-c3n4納米片對可見光的吸收從450nm開始，吸收范圍比實施例1略窄；各實施例制備的g-c3n4納米片均有很好的可見光吸收能力。

實施例1、2及3制備的g-c3n4納米片在可見光下降解苯酚的測試結果如圖7所示，由圖可知：光照30min時，實施例1、2、3所制得的g-c3n4納米片對苯酚的降解率分別為78.8％、62.1％和17.6％；在光照90min時，實施例1所制得的g-c3n4納米片對苯酚的降解率達到96.1％；在光照120min時，實施例2所制得的g-c3n4納米片對苯酚的降解率達到93.2％；在光照210min時，實施例3所制得的g-c3n4納米片對苯酚的降解率達到83.6％。本發(fā)明制備g-c3n4納米片，尤其是片層厚度為1-10nm的g-c3n4納米，在可見光激發(fā)下對苯酚具有良好的降解性能，可應用于污水處理領域中光催化降解苯酚。