杨全红教授组最新进展：小尺寸单层石墨相氮化碳纳米片显著增强光响应

【引言】

石墨相氮化碳(g-C₃N₄)作为一种新型高分子基半导体材料，具有廉价、不含金属元素、可调控的能带结构、优异的热和化学稳定性等优点，在光电催化、有机光合成、有机污染物的降解和光致发光等领域展示出广阔的应用前景。传统直接热聚合方法获得的石墨相氮化碳往往表面积较小、催化反应活性位点较少、光响应性能较差，这些问题一定程度上制约了石墨相氮化碳的规模化应用。理论与实验研究表明，二维石墨相氮化碳纳米片由于具有更多的催化活性位点及更优异的光电响应性能，可以显著提高石墨相氮化碳材料光响应及催化性能。作为一种类石墨烯材料，石墨相氮化碳虽然具有层状结构，但其层间通过较强的氢键和范德华力结合在一起，如何实现单层石墨相氮化碳纳米片的制备是一个很棘手的难题。基于以上问题，目前大多数文献报道采用环保廉价的超声剥离法制备超薄石墨相氮化碳纳米片。虽然剥离实验中吡络烷酮、异丙醇和甲醇等有机溶剂的插层作用可得到少数层或者单层的石墨相氮化碳纳米片，但是这类溶剂具有较高价格、沸点和毒性而限制大规模使用。此外，一般超声剥离法的效率较低，并且制备纳米级尺寸的单层石墨相氮化碳纳米片也仍然存在挑战。

【成果简介】

近日，天津大学化工学院杨全红教授课题组采用纯水为介质，结合水浴超声与杆式超声，通过减小石墨相氮化碳纳米片的尺寸，增加边缘位点所占比例，实现了单层石墨相氮化碳纳米片的高效剥离(~30%)。通过这种方法得到了横向尺寸约为55 nm、厚度约为0.6 nm的单层石墨相氮化碳纳米片(NMGCNs)。由于其纳米级尺寸及单层片状结构，NMGCNs表现出比大尺寸纳米片和量子点更优异的光响应特性。NMGCNs的水分散溶液具有良好的稳定性能和优异的荧光性能，其荧光量子产率可达32%，所以可用于细胞荧光成像。此外，NMGCNs表现出比多层石墨相氮化碳纳米片更优异的可见光催化性能。独特的小尺寸及单层超薄结构使得NMGCNs在传感器和光电子等领域都具有潜在应用前景。该工作不仅发展了小尺寸单层石墨相氮化碳纳米片的制备方法，也为其他材料纳米级超薄纳米片的制备提供了一种普适的方法。

【图文导读】

图1. NMGCNs的制备过程

图2. NMGCNs的形貌（a-d：AFM；e：TEM；f：HRTEM）

图3. NMGCNs的表征（a：XRD；b：FTIR；c和d：XPS谱图C 1s、N 1s）

图4. NMGCNs的表征（a：可见光谱和荧光光谱；b：质谱；c：漫反射谱；d：Mott-Schottky图）

图5.NMGCNs用于细胞荧光成像（a: 明视场像；b：紫外光下的荧光成像；c：A549细胞与NMGCNs培养6 h；d：细胞毒性）

图6.NMGCNs的光催化性能（a：光催化降解罗丹明；b：EIS谱图；c：荧光发射谱；d：时间分辨荧光谱）

【小结】

如何实现单层石墨相氮化碳纳米片的制备一直是个挑战性难题。杨全红教授课题组采用纯水为介质，结合水浴超声与杆式超声，实现了单层石墨相氮化碳纳米片的高效剥离(~30%)。所得到的单层石墨相氮化碳纳米片表现出比大尺寸纳米片和量子点更优异的光响应特性。

文献链接：Reduced-sized monolayer carbon nitride nanosheets for highly improved photoresponse for cell imaging and photocatalysis (Sci. China. Mater., 2016, DOI: 10.1007/s40843-016-5131-9)

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