靜電紡絲制備g-C3N4/C納米纖維及其可見光降解性能

楊佳佳　蔣克望　林雪梅　應宗榮　張文文

(南京理工大學化工學院，南京210094)

靜電紡絲制備g-C3N4/C納米纖維及其可見光降解性能

楊佳佳蔣克望林雪梅應宗榮＊張文文

(南京理工大學化工學院，南京210094)

采用g-C3N4納米片與聚丙烯腈進行靜電復合紡絲，再經預氧化和碳化制得g-C3N4/C納米纖維。利用傅立葉變換紅外光譜儀(FTIR)、X射線衍射儀(XRD)、拉曼光譜(Raman)和掃描電子顯微鏡(SEM)對樣品結構和形貌進行表征，通過紫外-可見漫反射光譜(UV-Vis DRS)分析可見光響應性。研究表明，復合納米纖維對羅丹明B表現出較好的可見光降解活性，源于無定形相/石墨相混合結構的碳基體能夠降低g-C3N4的光生電子-空穴對復合的幾率。復合納米纖維膜在光催化降解攪拌條件下始終能保持完整，經過多次回收和光催化實驗，對羅丹明B的光降解率依然較高，表現出較優異的循環利用穩定性。

類石墨相氮化碳；碳纖維；靜電紡絲；復合納米纖維；可見光；光降解

自福州大學王心晨教授課題組提出類石墨相氮化碳(g-C3N4)可以作為一種不含金屬的光催化劑用于分解水制氫[1]以來，這一新型的光催化劑引起了材料和催化領域科研人員的興趣[2-4]，例如Liu等[5-6]使用Ag3PO4和Cu2O，Bai等[7]使用Ag分別對g-C3N4納米片進行復合改性，得到了有明顯催化活性的復合光催化劑。g-C3N4具有層狀結構，理論上具有很大的比表面積，但事實上通過簡單煅燒制備的g-C3N4是體相的塊狀聚集體，實際比表面積小得多，嚴重制約其光催化效率的發揮[8-10]。通過化學氧化法[11]、超聲剝離法[12]和熱剝離法[13]，能夠很好地將g-C3N4納米片層從塊體上剝離下來，剝離所得的納米片層能夠保持體相材料完整的晶體結構和相同的化學組成，再加上納米片層材料所表現出的小尺寸效應和表面效應，極大地提高了其光催化活性[14]。直接使用剝離得到的g-C3N4納米片用于光催化，在光催化過程中難以持續地保持片層結構，容易發生團聚，比表面積逐漸減小，光催化活性降低，特別是g-C3N4納米片呈粉末狀，容易流失，回收再利用困難，循環利用穩定性差。

靜電紡絲是一種制備連續納米纖維簡單且有效的方法[15]。通過靜電紡絲工藝控制可以制得獨特的結構形貌，通過共混及復合靜電紡絲可以很方便地獲得多種組分復合的多元納米纖維，包括無機/無機、無機/有機、有機/有機等復合型納米纖維，這使納米纖維進行各種功能設計及用途設計非常方便。由于靜電紡絲纖維具有納米尺寸、容易獲得獨特結構形貌和各種復合結構，使其在納米電子器件[16]、電池和電極材料[17-18]、催化劑[19]等眾多領域有著重要的應用。通過靜電紡絲制備的納米碳纖維直徑細且具有較高的導電性[20-21]，在作為光催化劑載體時，有利于光催化劑光生電子-空穴的分離，且對納米級光催化劑起固定作用，在使用過程中阻礙光催化劑團聚，再加上碳纖維本身具有優異的柔韌性[22-23]，使得光催化劑可以反復利用，循環利用穩定性大大提高。

本文采用聚丙烯腈(PAN)與g-C3N4納米片進行靜電混合紡絲，然后預氧化和碳化，以實現g-C3N4納米片在碳纖維上的負載。研究發現，g-C3N4/C復合纖維內部的碳基體呈無定形相/石墨相混合結構，能夠大大降低纖維表面g-C3N4(S)產生的光生電子-空穴對復合的幾率，使復合纖維對羅丹明B溶液具有較優異的可見光催化活性，復合纖維在光催化降解攪拌條件中不會脆化，回收再用方便，循環利用穩定性好。

1　實驗部分

1.1樣品制備

1.1.1g-C3N4納米片的制備

按照文獻[24]制備g-C3N4納米片。將三聚氰胺粉體置于真空管式高溫燒結爐中，在550℃溫度下于氮氣氛下煅燒4 h得到體相g-C3N4。研細后加入陶瓷坩堝中于550℃溫度下再次煅燒2 h，得到g-C3N4薄層，記作g-C3N4(F)。將0.2 g的g-C3N4薄層分散到20 mL的N,N-二甲基甲酰胺溶液中，超聲剝離6 h得到g-C3N4納米片，記作g-C3N4(S)。

1.1.2g-C3N4/PAN納米纖維膜的制備

將2.604 g聚丙烯腈(PAN)加入到上述g-C3N4(S) DMF懸浮液當中，30℃水浴條件下攪拌5 h至PAN完全溶解，繼續超聲2 h后得到g-C3N4(S)懸浮分散紡絲液。在室溫下進行靜電紡絲，以覆蓋銅網的鐵板作為接收裝置，電紡條件為：電壓U=19 kV，接收距離d=15 cm，紡絲流速v=0.5 mL·h-1。將接收到的電紡纖維膜于80℃烘箱中干燥12 h，即得到g-C3N4/PAN納米纖維膜。

1.1.3g-C3N4/C納米纖維膜的制備

將上述g-C3N4/PAN納米纖維膜裁剪成2 cm×3 cm矩形狀，放入耐高溫的陶瓷方舟中，置于真空管式高溫燒結爐內。在空氣氣氛下以3℃·min-1速率從室溫升溫到290℃預氧化0.5 h；然后將管式爐抽至真空，通入氮氣，控制合適的氮氣流速，以6℃·min-1升溫到600℃碳化0.5 h；最后，自然冷卻至室溫，得到g-C3N4/C納米纖維。

1.2樣品表征

采用傅立葉變換紅外光譜儀(8400S,Shimadzu)測試FTIR光譜(FTIR)，KBr壓片法，掃描波數范圍400～4 000 cm-1，分辨率8.0 cm-1，快速掃描每秒20次。采用X射線衍射儀(D8 Advance，Bruker AXS GmbH)測試XRD圖，Cu Kα，波長λ=0.154 056 nm，工作電壓40 kV，電流40 mA，掃描速度6°·min-1，掃描范圍5°～80°。采用激光共焦顯微拉曼光譜儀(in Via,Renishaw)測試拉曼光譜。采用紫外-可見漫反射光譜儀(UV-2500,Shimadzu)測試UV-Vis DRS光譜，測試波長200～800 nm，標準BaSO4參比物質，干法壓片制樣。采用掃描電子顯微鏡(FEI,FEG250, Quanta)表征微觀結構和形貌，樣品經表面噴金處理，加速電壓15.0 kV。

1.3光催化降解實驗

光催化實驗在光化學反應儀(XPA系列，南京胥江機電廠)中進行。采用500 W的氙燈作為光源，使用濾光片濾掉420 nm以下波長的光，以30 mg活性物質的g-C3N4(F)、g-C3N4(S)和g-C3N4(S)/C納米纖維膜為光催化劑，以50 mL的10 mg·L-1RhB溶液為目標降解物。先在暗光環境下攪拌吸附1 h以達到吸附-脫附平衡，開燈后每隔0.5 h取樣一次，每次取樣3 mL，光降解反應總時間3 h。取出來的樣用高速離心機離心，去除試樣中殘留的催化劑，使用紫外-可見分光光度計檢測其上層清液的吸光度值，根據公式W=(C0-C)/C×100%=(A0-A)/A0× 100%計算RhB的降解率W，式中C0和C、A0和A分別指開始光降解時RhB溶液和各取樣RhB溶液中RhB的濃度、溶液的吸光度值。

采用g-C3N4(F)、g-C3N4(S)、g-C3N4/C納米纖維膜在同一條件下5次循環降解目標污染物(RhB)實驗用來評價光催化劑的催化穩定性。每次使用完后，離心取出樣品，用去離子水洗滌3次，最后用乙醇洗，放入80℃烘箱烘干4 h，然后繼續下一次光催化降解實驗測試。

圖1　g-C3N4(S)和g-C3N4/C納米纖維膜的FTIR圖Fig.1 FTIR spectra of g-C3N4(S)and g-C3N4/C nanofibers

2　結果與討論

2.1FTIR分析

圖1為g-C3N4(S)和g-C3N4/C納米纖維膜的FTIR圖。801 cm-1處為g-C3N4的3-s三嗪結構特征峰，2 936和2 870 cm-1左右處為碳納米纖維的亞甲基(-CH2-)伸縮振動吸收峰，3 000～3 600 cm-1范圍內為g-C3N4的N-H鍵伸縮振動帶。而1 200～1 700 cm-1范圍出現的多重強吸收峰是g-C3N4的芳香碳氮雜環結構單元、-NH和-NH2結構單元在此范圍的特征峰[25]與碳納米纖維在此范圍的亞甲基(-CH2-)的C-H吸收峰、C-N鍵的特征吸收峰相重疊所形成。這些特征表明，制備得到的g-C3N4/C納米纖維是由g-C3N4和含有亞甲基、C-N鍵的未完全碳化的碳納米纖維構成，這是因為碳化溫度僅600℃，PAN預氧化纖維含有的亞甲基和C-N鍵不可能完全分解形成碳化度完全的碳納米纖維。

2.2XRD分析

g-C3N4/C納米纖維膜的XRD圖如圖2所示?？梢钥闯觯?θ為26.5°附近存在明顯的特征衍射峰。PAN在碳化過程中，除碳以外的其他雜原子(H、N)以小分子(H2O、NH3)揮發的形式逐漸脫除，碳元素所占的比例逐漸增大，該處的特征峰屬于石墨層的(002)衍射峰[26]，這說明經600℃碳化后得到的g-C3N4/C納米纖維膜中的碳存在石墨相。由于纖維組分中所含g-C3N4相對較少，且g-C3N4位于2θ為28.5°處的(002)衍射峰[27]處于石墨層的(002)衍射峰附近，被包含在碳的(002)衍射峰內，因此看不到單獨的g-C3N4衍射峰。

圖2　g-C3N4(S)和g-C3N4/C納米纖維膜的XRD圖Fig.2 XRD patterns of g-C3N4(S)and g-C3N4/C nanofibers

2.3Raman分析

圖3為g-C3N4/C納米纖維膜的Raman譜圖。從圖中可以看出，Raman光譜有3個明顯的譜線：1 356 cm-1附近處的D譜線，1 575 cm-1附近處的G譜線和2 806 cm-1附近處的譜線。G譜線表征的是石墨結構的完整程度，D譜線表征的是石墨結構的缺陷程度[28]。圖中D線強度比G線略高，說明碳纖維有一定的石墨化程度和結構有序程度，這與XRD結果相一致，但石墨結構不完善，無定形碳原子含量較多，碳纖維主要為無定形相與石墨相混合型結構。在2 806 cm-1處的寬峰是由C-N鍵的振動引起[29]，說明復合纖維中存在較多的C-N鍵，它們源于未完全碳化碳纖維和g-C3N4的C-N基團，這與FTIR分析相吻合。

圖3　g-C3N4//C納米纖維膜的Raman光譜Fig.3 Raman spectrum of g-C3N4/C nanofibers

2.4UV-Vis DRS分析

圖4為g-C3N4(S)和g-C3N4/C納米纖維的UVVis DRS譜?？梢姡鼈兙哂邢嗨频奶卣?，在200～400 nm波長范圍內有較強的吸收，對應的是太陽光線的紫外光波長區間，吸收區域從紫外光一直延續到可見光，大于400 nm波長后，吸收強度逐漸減小，吸收帶邊緣約在460 nm處，波長超過460 nm后，不再具有吸收效應。這表明，g-C3N4/C納米纖維對紫外光和可見光均具有較好的吸收特性，使其能夠表現出紫外光和可見光催化降解性能。我們知道，碳纖維不具備半導體屬性，對全波長光不會發生吸收，因此g-C3N4/C納米纖維對紫外光和可見光的吸收特性源于g-C3N4，g-C3N4的存在是g-C3N4/C納米纖維具有可見光響應的原因[30]。

圖4　g-C3N4(S)和g-C3N4/C納米纖維膜的UV-Vis DRS圖Fig.4 UV-vis DRS spectra of g-C3N4(S)and g-C3N4/C nanofibers

圖5　g-C3N4/PAN(a，b)和g-C3N4/C(c，d)納米纖維膜的SEM圖Fig.5 SEM images of g-C3N4/PAN(a,b)and g-C3N4/C(c,d)nanofiber membranes

2.5表面形貌分析

圖5為g-C3N4/PAN和g-C3N4/C納米纖維膜SEM圖。從2 000倍的圖5(a)中可以看出，PAN與g-C3N4/C納米片混合共紡的纖維表面較為光滑，纖維結構連續，有少量的串珠結構，說明可以達到共紡的目的。從10 000倍的圖5(b)中可以看出，g-C3N4/ PAN纖維膜的直徑大小主要分布在100～500 nm區間，纖維連續性好。圖5(c)為經600℃碳化后所得g-C3N4/C的2 000倍SEM纖維圖，可以看出，經碳化后纖維膜形狀仍然保持完好，但纖維整體發生收縮，有部分纖維斷裂，可能是因為g-C3N4的加入使形成的碳纖維強度降低，在碳化過程中由于纖維收縮和雜原子(H、N)產生的氣體小分子(H2O、NH3)在高溫揮發過程中對纖維的沖擊共同導致部分纖維發生斷裂。還可以發現，納米纖維上存在少量的g-C3N4團聚顆粒，纖維直徑主要分布在100～1 000 nm，表明碳化后纖維收縮，纖維直徑略微變大。圖5(d)為10 000倍的局部放大圖，可以較明顯地看出，g-C3N4納米片粒徑較小，主要在100 nm以下，大部分能夠穩定良好地固定在碳纖維內部，少量分布在碳纖維表面。

2.6比表面積和孔徑分布分析

從圖6可以看出，g-C3N4/C納米纖維樣品的氮氣吸附-脫附等溫線為Ⅳ型等溫線，在0.45～1.0(p/p0)范圍內有明顯的吸附滯后環，Ⅳ型等溫線是中孔固體最普遍出現的吸附行為，結合其孔徑分布圖可以得出，納米纖維之間交聯形成各種孔徑不一的介孔和大孔，由多點BET法計算得到納米纖維樣品的比表面積為39 m2·g-1，由孔徑分布得出孔徑主要分布在49.6 nm附近?？梢姡彸鰜淼膅-C3N4/C纖維內部含有少量的介孔，樣品中的大孔為纖維交聯所形成，它們賦予纖維較大的比表面積，這使g-C3N4/C纖維可以具有較好的光催化性能。

圖6　g-C3N4/C納米纖維樣品的氮氣吸附-脫附等溫線和孔徑分布圖Fig.6 Nitrogen adsorption-desorption～isotherms and pore size distribution of g-C3N4/C nanofibers

圖7　(a)不同樣品對RhB的可見光降解曲線;(b)光催化反應動力學擬合曲線Fig.7(a)Photodegradation curves toward RhB under visible light for various samples; (b)Compare about kinetics of RhB degradation for various samples

2.7光催化降解性能研究

圖7(a)反映了g-C3N4(F)、g-C3N4(S)和g-C3N4/C納米纖維膜光催化降解RhB效果。從空白樣曲線可以看出，RhB在可見光照射下自身不發生降解。超聲剝離得到的g-C3N4(S)及其電紡g-C3N4/C納米纖維膜樣品的光催化反應速率和降解率比粉末g-C3N4即g-C3N4(F)大得多。從圖可見，經1 h黑暗吸附，g-C3N4(S)和g-C3N4(F)的平衡吸附量都很小(小于5%)，而g-C3N4/C納米纖維膜的吸附較明顯，達到17.3%，這說明碳纖維的存在增大了樣品對染料的吸附能力。3 h可見光照射后，g-C3N4(S)對RhB的降解率達到85.6%，g-C3N4/C納米纖維膜達到79.8%，而g-C3N4(F)僅42.1%。g-C3N4(S)和g-C3N4(F)的降解率差異的原因是顯然的，因為g-C3N4(S)為納米尺寸薄片，比表面積較大，因此與待降解目標污染物RhB單位接觸面積大，以致光催化降解速率遠大于粉末g-C3N4(F)。讓我們感到驚喜的是，g-C3N4/C納米纖維膜按理必然有大量g-C3N4(S)被包埋在碳纖維內部和外表面上，有效比表面積必然比g-C3N4(S)小得多，光催化降解能力應該遠低于g-C3N4(S)，但是其與g-C3N4(S)相差竟然并不多，表現出比粉末g-C3N4(F)高得多的光催化降解能力。我們有理由推測，無定形相與石墨相共存的碳基體仍然具有比g-C3N4(S)高得多的導電能力，使暴露在纖維表面的g-C3N4(S)產生光生載流子能夠快速傳導，大大降低光生電子-空穴對復合的幾率，以至暴露在纖維表面的并不多的g-C3N4(S)顯示了很高的光催化效率。此外，g-C3N4/C納米纖維膜周圍RhB平衡濃度較高，這種濃度效應也有利于光催化。這兩種因素的綜合效應，使g-C3N4/C納米纖維膜獲得較高的光催化效率。從圖7(b)的光催化降解RhB的動力學擬合圖可以看出，g-C3N4(S)和g-C3N4/C納米纖維膜的擬合斜率比g-C3N4(F)大，表1列出了g-C3N4(F)、g-C3N4(S)和g-C3N4/C光催化反應動力學擬合方程，通過計算可知，g-C3N4(S)樣品對RhB的光催化反應速率常數是粉末g-C3N4(F)的3.85倍，而g-C3N4/C納米纖維膜的光催化反應速率常數是粉末g-C3N4(F)的2.92倍。

表1　光催化反應速率擬合方程Table 1 Fitting equations for photocatalytic reaction rate

從反映光催化穩定性的圖8可以看出，g-C3N4(S)光催化降解RhB的5次降解率依次為85.1%、66.4%、51.9%、37.5%和21.1%；g-C3N4/C納米纖維膜對應的5次降解率依次為74.7%、68.5%、64.2%、55.3%和49.2%。通過比較可以發現，g-C3N4(S)第一次使用的催化降解效果較好，但回收后催化降解能力快速下降，到第5次時只有21.1%。這是因為g-C3N4(S)在使用過程中逐漸發生團聚，樣品有效比表面積逐漸減小，同時回收時不可避免有少量損失，不能完全回收，g-C3N4(S)量有所減少，以致降解能力迅速變弱。g-C3N4/C納米纖維膜樣品首次使用的降解率為73.6%，盡管不及第一次使用g-C3N4(S)樣品，但卻比粉末g-C3N4(F)的38.7%有較大的提高。g-C3N4/C納米纖維膜在使用過程中不存在g-C3N4團聚導致光催化表面減少的問題，同時碳纖維本身具有較好的韌性，在光降解過程中依然能保持比較好的膜形態，使得纖維膜樣品易于回收，回收循環使用時質量損失較少，因此表現出比g-C3N4(S)樣品高得多的穩定性，第5次使用仍然能保持49.2%的較高降解率，光催化穩定性較好。

圖8　g-C3N4(F)、g-C3N4(S)和g-C3N4/C納米纖維膜5次光催化效果比較Fig.8 Compare about five photocatalytic test results of g-C3N4(F),g-C3N4(S)and g-C3N4/C nanofiber membranes

3　結論

采用PAN與g-C3N4納米片靜電混合紡絲制得的g-C3N4/C納米復合纖維，其g-C3N4納米片均勻地分散在復合纖維內部和表面，但存在部分團聚顆粒，復合纖維內部的碳基體存在大量的亞甲基和CN鍵，為含部分石墨相的無定形碳結構。無定形相與石墨相共存的碳基體能夠降低纖維表面g-C3N4(S)產生的光生電子-空穴對復合的幾率，使光生載流子快速傳導，g-C3N4/C納米復合纖維表現出較好的可見光催化活性，回收再用方便，循環利用穩定性良好。

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Synthesis of g-C3N4/C Nanofibers by Electrospinning and Their Photodegradation Performance under Visible Light

YANG Jia-Jia JIANG Ke-Wang LIN Xue-Mei YING Zong-Rong＊ZHANG Wen-Wen
(School of Chemical Engineering,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China)

g-C3N4/C composite nanofibers were prepared via a combination process of electrospinning, preoxidation and carbonization by using g-C3N4nanosheets and polyacrylonitrile as raw materials.Fourier transform infrared spectrometer(FTIR),X-ray diffraction(XRD),Raman spectroscopy(Raman)and scanning electron microscopy(SEM)were employed to analyze the structure and morphology of the as-synthesized nanofibers.And UV-Vis diffuse reflectance spectroscopy(UV-Vis DRS)was used to assess their visible light response.The results show that the g-C3N4/C composite nanofibers exhibitgood photocatalytic degradation activity toward rhodamine B under visible light,which originates from better ability of their partially amorphous carbon matrix to reduce the combination of the photogenerated electron and hole pair.The nanofiber membrane was not embrittled into powers or small flakes during the photocatalytic degradation process under stirring conditions, maintaining its integrity from begin to end.After several recovery and photocatalysis experiments,the membrane still maintained high photodegradation rate.This study reveals that the resulting nanofibers have excellent recycling stability to photodegradate rhodamine B under visible light.

graphite-like carbon nitride;carbon fiber;electrospinning;composite nanofiber;visible light;photodegradation

O613.71;O643.36+1

A

1001-4861(2016)12-2088-07

10.11862/CJIC.2016.279

2016-03-28。收修改稿日期：2016-10-09。

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