本發(fā)明涉及納米光催化材料的制備，確切講本發(fā)明涉及一種制備大尺寸超薄g-c3n4光催化材料的方法。特別是這種光催化材料有高的光催化活性，且制備過(guò)程是簡(jiǎn)便的高溫?zé)Y(jié)法。本發(fā)明的方法是將含氮、碳的第一化合物溶解于水中并超聲得到溶液a；將第二化合物加入到溶液a并在空氣中攪拌獲得溶液b；將獲得的溶液b水浴加熱并不斷攪拌至快蒸干，然后烘干獲得前驅(qū)體c，前驅(qū)體c進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)，燒結(jié)產(chǎn)物經(jīng)自然冷卻至室溫后進(jìn)行洗滌、干燥處理。

背景技術(shù)：

光催化技術(shù)是當(dāng)今科學(xué)研究的熱點(diǎn)，其應(yīng)用范圍十分廣泛，如污水處理、空氣凈化、太陽(yáng)能利用、抗菌、防霧和自清潔功能等。石墨相g-c3n4因其優(yōu)良的光催化性能、高活性、穩(wěn)定性、無(wú)毒和價(jià)格低廉成為一種理想的光催化材料，因此在能源再生和環(huán)境保護(hù)方面有極大的應(yīng)用前景。g-c3n4具有較小的禁帶寬度（2.7ev，金紅石相二氧化鈦3.0ev），對(duì)占太陽(yáng)光能量45%的可見(jiàn)光可以較好地進(jìn)行吸收。但同時(shí)光生電子-空穴對(duì)會(huì)迅速?gòu)?fù)合，沒(méi)有有效分離轉(zhuǎn)移，影響了活性基團(tuán)的生成，導(dǎo)致光催化活性不高，限制了實(shí)際應(yīng)用。

通過(guò)改善材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可以顯著改善材料的物理化學(xué)性質(zhì)，通過(guò)模板法分子構(gòu)筑，使體系具有更高的污染物吸附能力，拓展的光吸收范圍，增強(qiáng)的電荷轉(zhuǎn)移和分離能力。大尺寸超薄g-c3n4相比于尋常g-c3n4：具有更高的導(dǎo)電性能、更大的表面負(fù)載自由電荷密度、更大的比表面積，因此大尺寸超薄g-c3n4將比未改善形貌的g-c3n4材料，擁有更高的光生電荷分離率和更強(qiáng)的有害污染物吸附分解及裂解水產(chǎn)氫能力。

目前，為了得到結(jié)構(gòu)優(yōu)良的單層g-c3n4，傳統(tǒng)方法是利用液相剝離或酸堿刻蝕。具體是分別通過(guò)超聲振動(dòng)和強(qiáng)酸強(qiáng)堿來(lái)破壞層間范德華力，從而得到少層或單層g-c3n4。液相剝離法極大耗費(fèi)能源，且所得到的產(chǎn)品產(chǎn)率偏低，不能得到真正意義上的單層g-c3n4；酸堿刻蝕法操作危險(xiǎn)，并且引入污染物和實(shí)驗(yàn)副產(chǎn)品。因此丞待設(shè)計(jì)一種環(huán)境友好，方便可行的可替代方法。

申請(qǐng)?zhí)枮?01510714630x的中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)公開(kāi)一種碳基材料g-c3n4。該專利申請(qǐng)是采用原位生長(zhǎng)法合成ag量子點(diǎn)修飾的g-c3n4復(fù)合材料，其具體制備方法包括以下步驟：稱取尿素溶解于蒸餾水中并超聲得到溶液a；將定量agno3加入到溶液a中，并在空氣中攪拌獲得溶液b；將獲得的溶液b水浴加熱并不斷攪拌至快蒸干，然后烘干獲得樣品c；將樣品c放置在馬弗爐中，為確保獲得多孔g-c3n4，保證馬弗爐的初始溫度小于80攝氏度，將馬弗爐升溫至550℃，并保持下該溫度下4小時(shí)，獲得樣品d；自然冷卻至室溫，將樣品d洗滌、干燥，獲得ag量子點(diǎn)修飾的g-c3n4。該方法制備的產(chǎn)物可用于光分解水制氫反應(yīng)。但該技術(shù)利用ag進(jìn)行復(fù)合，作為貴金屬，ag的引入將極大提高成本，不利于大規(guī)模生產(chǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種可克服現(xiàn)有技術(shù)不足，制備大面積超薄g-c3n4光催化材料制備的方法。

本發(fā)明的一種制備大面積超薄g-c3n4光催化材料的方法是將含氮、碳的第一化合物三聚氰胺溶解于水中并超聲得到溶液a；再將第二化合物聚丙烯酰胺加入到溶液a并在空氣中攪拌獲得溶液b；將獲得的溶液b進(jìn)行干燥處理得到前驅(qū)體c，將前驅(qū)體c進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)，燒結(jié)產(chǎn)物經(jīng)自然冷卻至室溫后進(jìn)行洗滌、干燥處理后即得到大面積超薄g-c3n4光催化材料。

優(yōu)先地，本發(fā)明制備大面積超薄g-c3n4光催化材料制備的方法是：

（1）將5.0g三聚氰胺溶解于1000ml水中并超聲分散處理得到溶液a；

（2）將0.5g聚丙烯酰胺加入到溶液a中，攪拌獲得溶液b；

（3）將溶液b進(jìn)行干燥處理得到固體的前驅(qū)體c；

（4）將前驅(qū)體c放置在加熱爐中，將爐溫升至500℃到600℃進(jìn)行燒結(jié)，獲得產(chǎn)物d；

（5）將產(chǎn)物d自然冷卻至室溫，經(jīng)洗滌、干燥處理，得到大面積超薄g-c3n4光催化材料。

進(jìn)一步，本發(fā)明的一種制備大面積超薄g-c3n4光催化材料的方法是在步驟（3）中通過(guò)加熱使液體被蒸發(fā)，促進(jìn)固體的前驅(qū)體c析出，再對(duì)析出的固體的前驅(qū)體c充分干燥處理。

優(yōu)先地，本發(fā)明的一種制備大面積超薄g-c3n4光催化材料的方法是步驟（4）的燒結(jié)溫度為550℃。

本發(fā)明制備大面積超薄g-c3n4光催化材料的方法最佳的燒結(jié)時(shí)爐溫的升溫速率為3攝氏度/每分鐘。

本發(fā)明所制備的光催化材料大尺寸薄層g-c3n4材料是一種高效的光催化材料，這種大面積超薄g-c3n4光催化材料用于可見(jiàn)光下光催化降解污染物，或者用于光分解水制氫反應(yīng)。

本發(fā)明制備的產(chǎn)物其光催化活性遠(yuǎn)高于采用現(xiàn)有技術(shù)制備的g-c3n4，而且由于本發(fā)明產(chǎn)物形貌的改善，使其有更高的導(dǎo)電性能和表面負(fù)載自由電荷密度，其所增加的比表面積將有利于發(fā)生物理吸附并暴露更多的活性位點(diǎn)，更利于污染物在材料表面的吸附和分解以及氫氣的產(chǎn)生。實(shí)驗(yàn)表明，本發(fā)明制備的大尺寸薄層g-c3n4光催化材料在降解有機(jī)染料以及裂解水制氫的能力強(qiáng)于現(xiàn)有技術(shù)制備的g-c3n4。另外，本發(fā)明的制備方法所用的設(shè)備簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)易可行、無(wú)需使用額外金屬催化劑，所選用的聚丙烯酰胺模板是一種環(huán)境友善的綠色材料，因此本發(fā)明的制備方法具有環(huán)境友好，生產(chǎn)成本低，可用于批量生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明制備流程示意圖。

圖2為本發(fā)明制備的g-c3n4-pam的原子力顯微鏡圖譜。

圖3為現(xiàn)有技術(shù)制備的g-c3n4和本發(fā)明制備的g-c3n4-pam的x射線粉末衍射圖譜。

圖4為現(xiàn)有技術(shù)制備的g-c3n4和本發(fā)明制備的g-c3n4-pam紅外光譜圖。

圖5為現(xiàn)有技術(shù)制備的g-c3n4和本發(fā)明制備的三聚氰胺和聚丙烯酰胺所得g-c3n4-pam的紫外漫反射圖譜。

圖6為現(xiàn)有技術(shù)制備的g-c3n4和本發(fā)明制備的g-c3n4-pam的固體熒光圖譜(410nm激發(fā)波長(zhǎng))。

圖7為現(xiàn)有技術(shù)制備的g-c3n4和本發(fā)明制備的g-c3n4-pam的可見(jiàn)光光電流比較。

圖8為現(xiàn)有技術(shù)制備的g-c3n4和本發(fā)明制備的g-c3n4-pam的光催化降解10mg/l亞甲基藍(lán)效率圖。

圖9為現(xiàn)有技術(shù)制備的g-c3n4和本發(fā)明制備的g-c3n4-pam的光催化產(chǎn)氫效率圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

本發(fā)明的大尺寸薄層g-c3n4光催化材料的制備方法是高溫?zé)Y(jié)法。本發(fā)明的制備方法參見(jiàn)附圖1給出的步驟。

本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施方式：

稱取5g的三聚氰胺，加入1000ml的去離子水，隨后加入0.50g聚丙烯酰胺和20ml去離子水組成的混合溶液，聚丙烯酰胺作為交聯(lián)劑和模板劑，磁力攪拌器上攪拌40min，再超聲40min，最后將獲得的沉淀物離心分離、60℃真空干燥12小時(shí)，將干燥后前軀體加入馬弗爐中，550℃高溫?zé)Y(jié)2h，得到褐色固體，再用瑪瑙研缽研磨成均勻粉末，得到水母狀g-c3n4光催化材料，為與現(xiàn)有技術(shù)的高溫?zé)Y(jié)法制備的產(chǎn)物g-c3n4區(qū)別起見(jiàn)，本發(fā)明制備出的產(chǎn)物命名為g-c3n4-pam。

由本發(fā)明制備的產(chǎn)物g-c3n4-pam與現(xiàn)有技術(shù)制備的g-c3n4有關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

現(xiàn)有技術(shù)制備的g-c3n4和本發(fā)明制備的g-c3n4-pam的其它有關(guān)參數(shù)參見(jiàn)附圖2至9。

從圖2中可見(jiàn)，本發(fā)明的制備的g-c3n4-pam原子力顯微鏡圖片表現(xiàn)出不到1nm的原子層級(jí)厚度和較大的面積。

從圖3中可見(jiàn)，本發(fā)明的制備的g-c3n4-pamx射線粉末衍射強(qiáng)度和現(xiàn)有技術(shù)制備的g-c3n4的x射線粉末衍射具有相同的峰位。

從圖4中可見(jiàn)，本發(fā)明的制備的g-c3n4-pam紅外光譜和現(xiàn)有技術(shù)制備的g-c3n4紅外光譜呈現(xiàn)出相同的特征吸收峰。

從圖5中可見(jiàn)，本發(fā)明的制備的g-c3n4-pam紫外可見(jiàn)漫反射吸收范圍要寬于現(xiàn)有技術(shù)制備的g-c3n4紫外可見(jiàn)漫反射相對(duì)強(qiáng)度。

從圖6中可見(jiàn)，在410nm激發(fā)波長(zhǎng)下，本發(fā)明的制備的g-c3n4-pam固體熒光相對(duì)強(qiáng)度要低于現(xiàn)有技術(shù)制備的g-c3n4固體熒光相對(duì)強(qiáng)度。

從圖7中可見(jiàn)，本發(fā)明的制備的g-c3n4-pam光電流強(qiáng)度要高于現(xiàn)有技術(shù)制備的g-c3n4光電流強(qiáng)度的60%以上。

用由本發(fā)明實(shí)施例所制備的g-c3n4-pam材料進(jìn)行光催化降解亞甲基藍(lán)實(shí)驗(yàn)，同時(shí)用現(xiàn)有技術(shù)制備的g-c3n4進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，其催化降解效率曲線參見(jiàn)圖8.由圖8可見(jiàn)，本發(fā)明的g-c3n4-pam材料催化降解效率優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)產(chǎn)品的一倍以上。

用由本發(fā)明實(shí)施例所制備的g-c3n4-pam材料進(jìn)行光催化產(chǎn)氫氣實(shí)驗(yàn)，同時(shí)用現(xiàn)有技術(shù)制備的g-c3n4進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，其催化產(chǎn)氫氣效率曲線參見(jiàn)圖9。從圖9可見(jiàn)，本發(fā)明的g-c3n4-pam材料催化產(chǎn)氫效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)有技術(shù)。

通過(guò)以上的實(shí)驗(yàn)可見(jiàn)，選用價(jià)格低廉、綠色環(huán)保的聚丙烯酰胺和三聚氰胺作為前驅(qū)體原料，在室溫下溶液攪拌合成前驅(qū)體，再通過(guò)高溫焙燒最終可以制備出的大面積超薄光催化劑材料。本發(fā)明的方法步驟簡(jiǎn)單、制備條件溫和且綠色環(huán)保，所得催化劑產(chǎn)物具有較高的可見(jiàn)光響應(yīng)光催化性能和光電性能。