Page 81 - 《精细化工》2023年第9期

第 9 期 张直峰，等: 超薄氧掺杂 g-C 3 N 4 纳米片的制备及其光催化性能 ·1929·

从图 2b 可以看出，g-C 3 N 4 剥离前后在 808 cm –1 到 g-C 3 N 4 结构中。以上结果说明，O 掺杂 g-C 3 N 4
处均具有一个明显的吸收峰，归属于 g-C 3 N 4 三均三 纳米片可通过超声辅助氧化剥离简单制备。
嗪结构单元的伸缩振动 [19] ，而位于 1200~1600 cm –1 表 1 为不同方法合成 g-C 3 N 4 的平均厚度比较结
之间强的吸收峰归属于 C—N 及 C==N 键的伸缩振 果。从表 1 可知，与液体剥离法 [26] 、热缩聚法 [12] 、
[9]
超声辅助液体剥离法 、回流剥离法 [10] 、双氧水热
动；与原始 g-C 3 N 4 相比，超声辅助氧化剥离 g-C 3 N 4
–1
位于 3000~3300 cm 之间对应羟基伸缩振动的吸收 表面处理法 [27] 、自上而下酸化法 [28] 等相比，采用超
峰明显增强，说明超声氧化剥离赋予 g-C 3 N 4 更多的 声辅助氧化剥离可使 g-C 3 N 4 纳米片厚度进一步缩小
羟基基团 [20] 。 至 1 nm 左右。

由图 2c 可见，超声辅助氧化剥离前后 g-C 3 N 4
表 1 不同方法合成 g-C 3N 4 的平均厚度比较
主要由 C、N、O 元素组成。与原始 g-C 3 N 4 相比， Table 1 Comparison of average thickness of g-C 3N 4 by different
超声辅助氧化剥离的 g-C 3 N 4 中 N 元素质量分数下降 methods
而 O 元素质量分数增加（图 2d），意味着 O 可能通 g-C 3N 4 方法 平均厚度/nm 参考文献
过取代 N 掺杂入 g-C 3 N 4 结构中 [21] 。元素分析证实 二维层状 液体剥离法 <10 [26]
（图 2e），与原始 g-C 3 N 4 相比，超声辅助氧化剥离 纳米片 热缩聚法 4.5 [12]
样品中 N 元素质量分数明显下降，而 O 元素质量分 纳米片 超声辅助液体剥离法 8~10 [9]
数增加，进一步说明超声辅助氧化剥离使 O 掺杂于 纳米片 回流剥离法 2~3 [10]
g-C 3 N 4 结构中。由图 2f、图 2g 可知，超声氧化辅助 超薄纳米片 双氧水热表面处理 5.36~6.94 [27]
剥离的 g-C 3 N 4 与原始 g-C 3 N 4 均具有相似的典型特 超薄纳米片 自上而下酸化法 3 [28]
征峰。在 C 1s 的 XPS 谱图中，位于 284.8 和 288.0 eV 纳米片 液体剥离法 2 [7]
2
处的特征峰分别对应于 C—C 键和 sp 杂化氮（N— 超薄纳米片 超声辅助氧化剥离 1.08 本研究
C==N） [22] ；而在 N 1s 的 XPS 谱图中，位于 398.5 和
2
400.2 eV 处的特征峰分别归属于三嗪环中 sp 杂环 N 原 2.2 超声辅助氧化剥离对 g-C 3 N 4 分散性的影响
[23]
子的（C—N==C）和桥连 N 原子的〔N—(C) 3〕 。通 增强 g-C 3 N 4 在水中的分散性对于拓展其在光催
过比较特征峰峰面积百分比变化可知，随着超声辅 化中的应用至关重要 [16] 。图 3a 为原始 g-C 3 N 4 与超
助氧化剥离时间的延长，位于 284.8 eV 的 C—C 特 声辅助氧化剥离样品在水中 24 h 的分散稳定性照
征峰随之增加，表明超声辅助氧化剥离后 g-C 3 N 4 的 片。从图 3a 可知，原始 g-C 3 N 4 经超声辅助氧化剥
聚合度增加 [24] 。此外，超声辅助氧化剥离样品位于 离后，在水中 24 h 内可较好地保持分散稳定性。图
398.5 eV 的 C==N—C 峰面积下降，进一步表明 C— 3b 为原始 g-C 3 N 4 与超声辅助氧化剥离样品水分散
N==C 芳香环中的 N 可能被 O 所取代 [25] 。以上推测 液 24 h 浊度变化趋势图。从图 3b 可知，与超声辅
进一步通过高分辨 O 1s 的 XPS 谱图分析证实。从 助氧化剥离样品相比，原始 g-C 3 N 4 分散液的浊度变
图 2h 可知，超声辅助氧化剥离后 g-C 3 N 4 在 531.4 eV 化相对明显，表明超声辅助氧化剥离提高了 g-C 3 N 4
处归属于 O—C—N 键的特征峰增强，表明超声辅助 在水中的分散性，g-C 3 N 4 较高的分散性能更有利于
氧化剥离使部分 C==N—C 键氧化，从而使 O 掺杂 g-C 3 N 4 在水中与反应物之间发生相互作用。

1 为原始 g-C 3N 4；2~5 为超声辅助氧化剥离 3、6、9、12 h 的样品
图 3 原始 g-C 3 N 4 与超声辅助氧化剥离样品在水中 24 h 的分散稳定性（a）及浊度变化（b）
Fig. 3 Dispersion stability (a) and turbidity change (b) of pristine g-C 3 N 4 and ultrasound-assisted oxidative exfoliated
samples in water for 24 h

为考察超声辅助氧化剥离对 g-C 3 N 4 光催化活性 刚果红的光催化降解性能。图 4a 为原始 g-C 3 N 4 和
的影响，分析了原始 g-C 3 N 4 和剥离样品对有机染料 超声辅助氧化剥离不同时间 g-C 3 N 4 纳米片对刚果红