中南民族大学吕康乐教授课题组综述：高活性氮化碳纳米片的制备策略

第一作者：李开宁

通讯作者：吕康乐

通讯单位：中南民族大学资源与环境学院

注：此综述是“二维光催化材料”专刊邀请稿，客座编辑：电子科技大学董帆教授

引用信息

李开宁, 张梦曦, 欧小雨, 李睿娜, 李覃, 范佳杰, 吕康乐. 高活性氮化碳纳米片的制备策略. 物理化学学报, 2021, 37 (8), 2008010.

doi: 10.3866/PKU.WHXB202008010

Kaining Li, Mengxi Zhang, Xiaoyu Ou, Ruina Li, Qin Li, Jiajie Fan, Kangle Lv. Strategies for the Fabrication of 2D Carbon Nitride Nanosheets. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37 (8), 2008010.

doi: 10.3866/PKU.WHXB202008010

主要亮点

本文重点介绍了关于二维g-C₃N₄纳米片的剥离方法与制备策略， 对现有方法（包括热氧化刻蚀、超声辅助剥离、化学法、机械法以及模板法）进行了分析和评述。并针对g-C₃N₄纳米片的制备和应用所面临的问题和挑战进行了讨论，展望其未来发展方向，为设计高性能氮化碳纳米片提供参考信息。

研究背景：意义、现状

石墨相氮化碳因具有优异的物理化学稳定性、生物相容性以及合适的能带结构，在光/电催化能源转换和环境污染治理领域备受关注。近年来，关于石墨相氮化碳的研究虽然取得了长足的进展，但比表面积比较小、光生载流子容易复合仍是制约体相石墨氮化碳实际应用的主要因素。将体相氮化碳剥离成纳米片，通过增大比表面积、缩短载流子扩散距离，进而增加活性电子与反应物分子的接触机会，将有助于解决上述问题。全面了解g-C₃N₄纳米片制备方法的特点和剥离机制，将是开发高活性g-C₃N₄纳米片的关键。本文将重点介绍关于高活性氮化碳纳米片制备策略的研究进展，同时对该领域的未来发展方向进行展望。

核心内容

1.    热氧化刻蚀

具有层状结构的g-C₃N₄，因为层间的范德华力和氢键不稳定， 通过热氧化处理，很容易使它们断裂，进而将体相g-C₃N₄剥离成g-C₃N₄纳米片（图1）。热处理刻蚀法操作简单，是目前最常用于制备g-C₃N₄纳米片的方法，但是该方法一般需要经过高温煅烧，存在能耗高、产率低的缺点。

图1  热氧化剥离体相g-C₃N₄的示意图

2.    超声辅助液相剥离法

如图2所示，将体相g-C₃N₄置于水中，经过长时间的超声，可得到大尺寸的g-C₃N₄纳米片。超声剥离法避免了高温过程，让g-C₃N₄纳米片还能够保持与体相材料相同的晶体结构和化学计量比。通过该方法制备的g-C₃N₄纳米片稳定性良好，在水中能够长时间保存且不会团聚。相比于需要多次高温煅烧的氧化刻蚀法，超声剥离法更为环保、节能。然而，该方法需要经过长时间的超声处理，较为耗时。值得注意的是，当溶剂与氮化碳表面能匹配时，能够提高剥离效率。

图2  超声辅助液相剥离体相g-C₃N₄流程图

3.    化学法

化学剥离法是指通过强酸与g-C₃N₄发生相互作用，包括离子交换、插层等过程，最终将体相 g-C₃N₄剥离成g-C₃N₄纳米片（图3）。化学法相对高效，但通常需要引入强酸或有机物，常需要增加额外的处理工序。

图3  化学法剥离g-C₃N₄纳米片示意图

4.    机械法

与化学法不同，机械法避免了强酸的引入，是一种简单、环境友好的g-C₃N₄纳米片制备方法，适合于制备小尺寸、超薄的g-C₃N₄纳米片。在球磨剥离g-C₃N₄的同时，加入其他活性材料例如MoB共同研磨，可以制备MoB/g-C₃N₄肖特基析氢催化剂，优化了g-C₃N₄的光电性能，实现剥离与改性一举两得。另外，机械法可以结合超声法，如图4，在超声剥离的过程中加入亚微米级的研磨剂如Al₂O₃，通过Al₂O₃提供横向的摩擦力以及超声波提供的纵向剪切力，能够有效地剥离二维纳米片结构。

图4  超声-球磨法的剥离示意图

5.    模板法  

前文提到的四种方法都是从层状的g-C₃N₄块体上剥离得到纳米片，属于“自上而下”法（Top-down approach）。还有另一种方法叫“自下而上”法（Bottom-up fabrication），指的是通过有机分子各向异性自组装得到的二维g-C₃N₄纳米片，而模板法就属于后者。例如，以二氰二胺为原料，NH4Cl作为气体模板，二者混合后煅烧，可通过一步法合成大尺寸超薄g-C₃N₄纳米片（图5）。

图5  常规方法制备体相g-C₃N₄和模板法制备g-C₃N₄纳米片的流程图

结论与展望

简要总结主要结论，并对研究方向进行展望。

本文对现有的g-C₃N₄纳米片的制备策略，包括热氧化刻蚀、超声剥离、化学法分层、机械法以及模板法进行了分析和评述。基于g-C₃N₄纳米片的制备和应用所面临的问题，我们认为：

（1）应根据实际应用需要，选择合适的g-C₃N₄纳米片制备方法。此外，还可以搭配不同的方法，例如（超声-球磨法、化学-超声法），结合它们的优势对体相g-C₃N₄进行剥离。

（2）平衡g-C₃N₄纳米片尺寸大小对π共轭度以及电子离域的影响关系，继续探索、设计更合理的g-C₃N₄纳米片制备方法。

（3）引入新的改性策略，如单原子修饰、缺陷调控、构建异质结、表面官能团调控等改性方法。这些方法能够改善g-C₃N₄结晶度、提高光捕获能力、促进载流子的分离、增加活性位点，进而提高整体的反应活性和选择性。

（4）加强对反应过程的原位测试技术（例如原位DRIFTS、ESR、Raman）的运用，动态地评估催化进程，为g-C₃N₄纳米片构效关系的建立提供数据支持。

（5）加强理论计算和实验结果的结合，搭建其宏观性能与微观结构的关系，有助于开发更高质量的g-C₃N₄纳米片。

☎作者介绍

 吕 康 乐 

男，博士，教授，教育部新世纪优秀人才，国家民委领军人才，湖北省杰出青年基金获得者，兼任中国感光学会光催化专业委员会委员，Frontiers in Chemistry副编辑和Chinese Journal of Catalysis编委。主要从事半导体光催化空气净化方面的研究，主持国家自然科学基金面上项目3项，已经在本领域权威期刊发表SCI收录论文130余篇（SCI他引6000余次），10篇论文入选高被引论文，个人H指数47。作为项目负责人，于2020年和2017年两次次获得湖北省自然科学奖三等奖。

相关拓展

原文链接（点击左下角“阅读原文”即可访问）：

http://www.whxb.pku.edu.cn/CN/10.3866/PKU.WHXB202008010