楊全紅教授組最新進展：小尺寸單層石墨相氮化碳納米片顯著增強光響應

【引言】

石墨相氮化碳(g-C₃N₄)作為一種新型高分子基半導體材料，具有廉價、不含金屬元素、可調控的能帶結構、優異的熱和化學穩定性等優點，在光電催化、有機光合成、有機污染物的降解和光致發光等領域展示出廣闊的應用前景。傳統直接熱聚合方法獲得的石墨相氮化碳往往表面積較小、催化反應活性位點較少、光響應性能較差，這些問題一定程度上制約了石墨相氮化碳的規模化應用。理論與實驗研究表明，二維石墨相氮化碳納米片由于具有更多的催化活性位點及更優異的光電響應性能，可以顯著提高石墨相氮化碳材料光響應及催化性能。作為一種類石墨烯材料，石墨相氮化碳雖然具有層狀結構，但其層間通過較強的氫鍵和范德華力結合在一起，如何實現單層石墨相氮化碳納米片的制備是一個很棘手的難題。基于以上問題，目前大多數文獻報道采用環保廉價的超聲剝離法制備超薄石墨相氮化碳納米片。雖然剝離實驗中吡絡烷酮、異丙醇和甲醇等有機溶劑的插層作用可得到少數層或者單層的石墨相氮化碳納米片，但是這類溶劑具有較高價格、沸點和毒性而限制大規模使用。此外，一般超聲剝離法的效率較低，并且制備納米級尺寸的單層石墨相氮化碳納米片也仍然存在挑戰。

【成果簡介】

近日，天津大學化工學院楊全紅教授課題組采用純水為介質，結合水浴超聲與桿式超聲，通過減小石墨相氮化碳納米片的尺寸，增加邊緣位點所占比例，實現了單層石墨相氮化碳納米片的高效剝離(~30%)。通過這種方法得到了橫向尺寸約為55 nm、厚度約為0.6 nm的單層石墨相氮化碳納米片(NMGCNs)。由于其納米級尺寸及單層片狀結構，NMGCNs表現出比大尺寸納米片和量子點更優異的光響應特性。NMGCNs的水分散溶液具有良好的穩定性能和優異的熒光性能，其熒光量子產率可達32%，所以可用于細胞熒光成像。此外，NMGCNs表現出比多層石墨相氮化碳納米片更優異的可見光催化性能。獨特的小尺寸及單層超薄結構使得NMGCNs在傳感器和光電子等領域都具有潛在應用前景。該工作不僅發展了小尺寸單層石墨相氮化碳納米片的制備方法，也為其他材料納米級超薄納米片的制備提供了一種普適的方法。

【圖文導讀】

圖1. NMGCNs的制備過程

圖2. NMGCNs的形貌（a-d：AFM；e：TEM；f：HRTEM）

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

圖4. NMGCNs的表征（a：可見光譜和熒光光譜；b：質譜；c：漫反射譜；d：Mott-Schottky圖）

圖5.NMGCNs用于細胞熒光成像（a: 明視場像；b：紫外光下的熒光成像；c：A549細胞與NMGCNs培養6 h；d：細胞毒性）

圖6.NMGCNs的光催化性能（a：光催化降解羅丹明；b：EIS譜圖；c：熒光發射譜；d：時間分辨熒光譜）

【小結】

如何實現單層石墨相氮化碳納米片的制備一直是個挑戰性難題。楊全紅教授課題組采用純水為介質，結合水浴超聲與桿式超聲，實現了單層石墨相氮化碳納米片的高效剝離(~30%)。所得到的單層石墨相氮化碳納米片表現出比大尺寸納米片和量子點更優異的光響應特性。

文獻鏈接：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)

《中國科學：材料科學》（Science China Materials，簡稱SCMs）

創刊于2014年底，由中國科學院和國家自然科學基金委員會共同主辦，是《中國科學》系列期刊之一。SCMs以快速發表材料科學最新重要研究成果為辦刊宗旨，為材料科學和化學、物理、生命科學等相關學科的科研人員提供了一個及時交流科研成果與思想的新平臺。SCMs涵蓋了材料科學研究的各個領域，尤其側重于當前的熱點研究方向，如能源存儲材料、催化材料、生物材料、納米結構和功能性材料等。

儀器設備、試劑耗材、材料測試、數據分析，找材料人、上測試谷！