[发明专利]一种宏量制备石墨相氮化碳纳米片的方法

说明书

技术领域

本发明涉及石墨相氮化碳纳米片及其宏量制备方法，具体涉及一种利用熔融碱在较低的温度下剥离层状石墨相氮化碳宏量制备石墨相氮化碳纳米片的方法。

背景技术

氮化碳材料存在五种同素异形体，即α相、β相、立方相、准立方相和石墨相，其中石墨相氮化碳在室温下最为稳定。因其具有独特的电子结构和优异的化学稳定性，近些年来石墨相氮化碳在能源转化和材料相关领域受到了广泛关注。作为催化剂和催化剂载体，石墨相氮化碳材料在有机官能团的选择性转换、太阳能转化利用、燃料电池阴极氧还原反应等不同研究领域得到了广泛地应用。由于体相石墨相氮化碳比表面积比较小，限制了石墨相氮化碳材料性能的进一步提高。

自2004年英国曼彻斯特大学的Geim首次从高定向裂解石墨剥离制备出稳定的单层石墨烯以来，二维纳米片材料引起了物理、化学、材料等不同领域科学家的极大兴趣。石墨烯体现出来的各种优异的性能和独特的性质，鼓舞越来越多的研究者去积极探索制备新的二维纳米片材料。石墨相氮化碳是一种结构类似于石墨的层状化合物，层与层之间通过弱的范德华力相连接。将石墨相氮化碳剥离制备二维石墨相氮化碳纳米片，可以大大增加石墨相氮化碳材料的比表面积，提高材料对光的吸收和响应，作为催化剂有希望表现出更高的催化反应性能。

石墨相氮化碳纳米片的研究和应用依赖于其大规模低成本制备。目前制备石墨相氮化碳纳米片的方法主要有以下三种：（1）利用空气中的氧气将石墨相氮化碳中层与层之间的结构部分氧化，刻蚀，得到石墨相氮化碳纳米片（P.Niu,L.L.Zhang,et al.Advanced Functional Materials2012,22,(22),4763）。这种制备方法存在产率低、结构缺陷较多、骨架氮原子在高温下容易流失等缺点。（2）液相剥离石墨相氮化碳制备石墨相氮化碳纳米片（S.B.Yang,Y.J.Gong,et al.Advanced Materials2013,25,(17),2452；X.D.Zhang,X.Xie,et al.Journal of the American Chemical Society2013,135,(1),18）。液相剥离法制备的石墨相氮化碳纳米片质量较高，厚度相对较薄，但产率非常低。（3）大连理工大学全燮等人将上述两种方法结合在一起用于制备石墨相氮化碳纳米片（中国专利申请号：201310149043.1）。他们先将石墨相氮化碳在空气气氛下高温焙烧，然后再将产物在极性溶剂中超声处理，液相剥离制备单原子层厚度的石墨相氮化碳纳米片。这种方法结合了上述两种方法的优势，但是产率仍然较低，并且空气气氛下的高温处理过程会对石墨相氮化碳的结构产生明显的破坏。因此，大规模低成本制备石墨相氮化碳纳米片至今仍然是一个非常大的挑战，是制约石墨相氮化碳纳米片研究与应用的瓶颈。

有鉴于此，提供一种成本低、工艺简单并且能够宏量制备石墨相氮化碳纳米片的方法对于石墨相氮化碳纳米片的研究与应用是非常必要的。

发明内容

本发明提供了一种基于熔融复合碱金属氢氧化物剥离石墨相氮化碳宏量制备石墨相氮化碳纳米片的方法。

本发明提供的制备方法中，原料廉价易得，工艺安全简单，反应条件温和，合成过程只需控制温度和时间，适合低成本大批量制备石墨相氮化碳纳米片。

根据本发明，石墨相氮化碳纳米片的制备过程如下：

（1）将两种碱金属氢氧化物按一定的比例均匀混合组成复合碱金属氢氧化物；

（2）将石墨相氮化碳材料与复合碱金属氢氧化物按一定的比例均匀混合，置于反应容器中于100～300℃处理0.05～5小时；

（3）将（2）得到的产物用pH为1～5的酸处理1～10小时，然后用去离子水和乙醇分别洗涤、过滤、直至溶液呈中性，干燥即得到石墨相氮化碳纳米片材料。

上述技术方案中步骤（1）中所述的复合碱金属氢氧化物由两种无水碱金属氢氧化物组成。

上述技术方案中步骤（1）中所述的两种碱金属氢氧化物是氢氧化钠和氢氧化钾。

上述技术方案中步骤（1）中所述的复合碱金属氢氧化物中氢氧化钠和氢氧化钾的质量比为1:0.4～2.0。

上述技术方案中步骤（2）中所述的石墨相氮化碳材料中氮元素质量百分含量为10%～80%；石墨相氮化碳材料与复合碱金属氢氧化物的质量比为1:1～3；反应容器优选对碱金属氢氧化物惰性的材料制备的容器。

上述技术方案中步骤（2）中反应温度可为100～300℃，通常为150～250℃，较好为160～200℃；