高活性氮化碳纳米片的制备策略

李开宁，张梦曦，欧小雨，李睿娜，李覃，范佳杰，吕康乐,＊

1 中南民族大学资源与环境学院，催化转化与能源材料化学教育部重点实验室，武汉 430074

2 郑州大学材料科学与工程学院，郑州 450001

1 引言

2004年，一种具有六边形蜂巢结构的二维层状碳材料石墨烯被Geim和Noboselov成功制备1，其独特的二维结构赋予它许多优异的物理化学性质，如良好的机械强度、优异的导热性、高效的载流子迁移率等2-4。材料领域的这一重大突破点燃了科研工作者对于二维材料的研究热情，这类材料也因此迎来了崭新的时代。随后，二维层状材料的大家庭里又增添了许多新成员，例如新型二维材料MXene5-7、二硫化钼8,9、硅氧烯10,11、氮化碳12,13等等。相比于块状材料，二维层状材料在许多方面更具有优势。它们拥有更大的比表面积、更多的活性位点、更高的电子迁移速率，也更适合作为载体14。所以，它们被广泛应用于能源储存、生物传感、催化、污染物治理等诸多领域。

石墨相氮化碳(g-C3N4)是一种具有二维层状结构的π共轭聚合物(图1)，由三嗪环或庚嗪环作为基本单元构建而成15。g-C3N4片层上的原子通过共价键结合，呈蜂窝状结构，片层之间依靠弱的范德华力相连，与石墨的层状结构相似。g-C3N4的制备比较简单，通过热处理含氮的碳基前驱体16(例如二氰胺、三聚氰胺、尿素和硫脲)，使其发生聚合作用，即可得到。由于g-C3N4具备优异的物理化学稳定性、生物相容性以及合适的能带结构，常常被应用于光催化能源转换、环境污染治理等领域，包括光解水产氢17-20、CO2还原21,22、有机污染物降解23-25、空气净化26-29等等。此外，因为g-C3N4具有类石墨烯的二维结构、氮含量丰富及表面性质易调等特点，其应用也拓展到了电催化领域30。g-C3N4可以作为载体，与其他金属、过渡金属硫化物或过渡金属氧化物形成复合催化剂，改善它们的电催化性能。目前，g-C3N4基复合催化剂已被广泛应用于电催化析氢反应(HER)31、析氧反应(OER)32,33、氧还原反应(ORR)34以及甲醇氧化反应(MOR)35。然而，体相氮化碳(bulk g-C3N4)的比表面积比较小、水中分散性差、光生载流子容易复合，这些缺点严重影响其光电性能，很大程度上限制了它的实际应用36,37。将体相g-C3N4剥离成纳米片有利于克服上述缺点。研究表明38-40，相比于体相g-C3N4，g-C3N4纳米片不仅能提供更大的比表面积，增加更多的活性位，还能促进载流子的迁移，提升整体光电催化活性。由此可见，探索更为高效、节能的g-C3N4纳米片制备策略十分必要。

图1 层状g-C3N4 的(a)三嗪和(b)三-s-三嗪结构15Fig. 1 Structural models of (a) s-triazine and (b) tris-triazine units.Adapted from J. Mater. Chem. A journal, RSC publisher 15.

本文综述了关于高活性氮化碳纳米片制备策略的研究进展，包括热氧化刻蚀、超声辅助剥离、化学法分层、机械法以及模板法等，并对现存问题进行分析和总结，同时对该领域的未来发展方向进行展望。希望本文能为设计高效的氮化碳纳米片提供参考信息。

2 制备方法

随着对g-C3N4研究的深入，g-C3N4纳米片在环境催化和能源领域显示出巨大的应用前景。因此，进一步探索、开发高活性的g-C3N4纳米片非常重要。目前，科研工作者已经开发出了多种制备g-C3N4纳米片的方法，如热氧化刻蚀、超声辅助剥离、化学法分层、机械法以及模板法等，这些方法的优缺点已总结在表130,40-52当中。

表1 氮化碳纳米片制备方法的优缺点比较Table 1 Advantages and disadvantages of the preparation method for g-C3N4 nanosheets.

2.1 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。Liu等40通过热氧化刻蚀法，成功从体相g-C3N4剥离了g-C3N4纳米片(图2a)。当氧化时间延长至2 h，可以获得厚度约为2 nm的g-C3N4纳米片(图2b，c)。与体相 g-C3N4(50 m2·g−1)相比，高各向异性的二维g-C3N4纳米片具有更大的比表面积(306 m2·g−1)，更多的反应活性位点。此外，g-C3N4纳米片还具有更高的电子迁移速率以及更长的载流子寿命，因此，g-C3N4纳米片展现出优于体相g-C3N4的光催化活性(图2d，e)。

随后，Dong等39以硫脲为前驱体经过两次煅烧，成功制备多孔g-C3N4纳米片，并且提出了g-C3N4纳米片逐层剥离和层裂的氧化刻蚀机理。他们重点研究了剥离温度对于g-C3N4纳米片微观结构的影响，研究发现，随着煅烧温度的升高，g-C3N4纳米片的尺寸和厚度都有所减小。由于量子尺寸效应的影响，g-C3N4纳米片的光吸收性质和能带结构发生了变化。如图2f所示，经过煅烧的样品，其光吸收性能轻微减弱，吸收光谱蓝移。在能带结构方面，煅烧后的样品，其价带都出现了下移的现象(图2g)，说明这些样品的空穴氧化能力得到提升。此外，相比于体相g-C3N4，CN-550 (即在550 °C下煅烧得到的样品)的导带负移0.38 eV，这说明CN-550光生电子还原能力也得到了增强。

在氧化刻蚀体相g-C3N4的过程中，除了剥离温度，剥离时间也是一个影响g-C3N4纳米片质量和产量的关键因素。例如，Xing等53通过延长体相g-C3N4的热刻蚀时间，成功制备了泡沫状多孔超薄g-C3N4纳米片(如图2h所示)。研究结果表明，当体相g-C3N4的热处理时间为4.5 h，可以得到g-C3N4纳米片。当剥离时间延长至6 h，一些庚嗪环单元也被刻蚀掉，此时能够形成多孔泡沫状g-C3N4纳米片。值得指出的是，多孔超薄g-C3N4纳米片具有超轻的特性，在水中分散性很好，因此它在水溶液中的应用具有很大潜力。

图2 (a)体相g-C3N4 和g-C3N4 纳米片的结构示意图；g-C3N4 纳米片的透射电镜图(b)和原子力显微镜图 (c)；紫外-可见光(d)和紫外光下(e)的产氢活性对比40；体相g-C3N4 和不同温度下热处理的样品的紫外可见吸收光谱(f)和能带结构图(g) 39；(h)多孔g-C3N4 纳米片的合成示意图53Fig. 2 Schematic diagram of the structures of the bulk g-C3N4 and the g-C3N4 nanosheets (a), TEM image (b) and AFM image (c) of g-C3N4 nanosheets, The photocatalytic hydrogen production from water containing 10% (volume fraction) triethanolamine scavenger over the as-prepared samples with Pt-depositon under UV-Visible light (d) and visible light (e) irradiation. Adapted from Adv. Funct. Mater. Journal, Wiley publisher 40. UV-Visible absorption spectra (f) band gap structure (g) of bulk g-C3N4 and samples treated at different temperatures. Adapted from Appl. Surf. Sci. journal, Elsevier publisher 39. (h) Preparation process of foam-like holey ultrathin g-C3N4 nanosheets. Adapted from Adv. Energy Mater. journal, Wiley publisher 53.

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，在一定程度上限制了g-C3N4纳米片在实际生产当中的应用。

2.2 超声辅助液相剥离法

2012年，Xie等通过超声剥离法，成功制备出超薄g-C3N4纳米片(制备过程如图3a)41。超声剥离法使g-C3N4避免了高温和氧化的过程，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纳米片结构稳定性良好，在水中能够长时间存在且不会团聚。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。

另外，Yang等54以g-C3N4粉末为原料，用异丙醇作为溶剂，超声10 h，成功制备了厚度约为2 nm的g-C3N4纳米片。该样品的光催化产氢速率可达93 μmol·h−1，远远高于体相 g-C3N4的产氢活性(10 μmol·h−1)，甚至优于热剥离法制备的g-C3N4纳米片以及高度有序的介孔g-C3N4(图3b)。如此优越的光催化活性，归因于其比表面积增大(384 m2·g−1)、活性位点增加、载流子迁移和分离效率提升(图3c)的协同影响。在另一项工作中，异丙醇也被用作超声剥离的溶剂剥离体相高结晶C3N455，制备三-s-三嗪基高结晶C3N4纳米片。通过该法制备的C3N4纳米片在甲醇溶液中的光催化产氢表观量子产率为8.57% (420 nm)，高于大多数的此前报道的g-C3N4纳米片。这是因为它具有均匀的三-s-三嗪单元、较低的厚度、较大的纵横比以及高度结晶等优势。

值得注意的一点是，在为超声剥离法选择溶剂时，应当充分考虑溶剂的液相剥离效率。液相剥离的效率可以通过混合物的焓(ΔHmix)来评价54,56。当溶剂的表面能与体相g-C3N4的表面能匹配时，焓(ΔHmix)的值会比较小，此时剥离效率高。表面能与混合物焓的关系可以用经验公式ΔHmix/Vmix≈2(δG−δsol)2φ/TSheet表示。其中，ΔHmix为混合物的焓，Vmix是混合物的体积，TSheet表示纳米片的平均厚度，φ是g-C3N4的体积分数，δ代表各组分表面能的平方根。对于混合溶剂，它们的表面能可以简单地通过改变体积比进行调节。当溶剂的表面能调节至与体相g-C3N4匹配时，可以进一步改善剥离的效率。例如，Lin等采用混合溶剂超声剥离的策略，成功制备了单层g-C3N4纳米片(图3d,e)，其厚度仅有0.38 nm57。更重要的是，g-C3N4纳米片的浓度(0.1-3 mg·mL−1)可以通过改变混合溶剂组分含量进行调整。相比于体相g-C3N4，二维各向异性的g-C3N4纳米片拥有更合适的能带结构、更好的电子迁移性以及较低的表面缺陷。因此，g-C3N4纳米片无论是光降解苯甲醇还是罗丹明B，都展现出高于体相g-C3N4的活性。

图3 (a)超薄g-C3N4 纳米片的液相剥离过程41；(b)光催化产氢活性(i 为超声液相剥离的g-C3N4 纳米片样品，ii 是热氧化刻蚀的g-C3N4 纳米片，iii 为高度有序介孔g-C3N4，iv 是体相g-C3N4)；(c)体相g-C3N4 与g-C3N4 纳米片的阻抗图54；单层g-C3N4 纳米片的原子力显微镜图(d)及对应的截面高度图(e) 57；γ-戊内酯剥离g-C3N4 纳米片的示意图(f)，g-C3N4 与体相g-C3N4 的紫外-可见吸收光谱图(g) 58Fig. 3 (a) Schematic of liquid ultrasonic-exfoliation method for g-C3N4 nanosheets. Adapted from J. Am. Chem. Soc.journal, ACS publisher 41. (b) Photocatalytic hydrogen evolution rates of: i) g-C3N4 nanosheets by liquid ultrasonicexfoliation method , ii) g-C3N4 nanosheets prepared by thermal exfoliation, iii) highly ordered mesoporous g-C3N4, andiv) bulk g-C3N4, (c) impedance diagram of bulk g-C3N4 and g-C3N4 nanosheets. Adapted from Adv. Mater. journal,Wiley publisher 54. AFM image (d) and corresponding cross-sectional profile (e) of C3N4 nanosheet. Adapted from Appl. Catal. B journal, Elsevier publisher 57. (f) Schematic diagram of the GVL-exfoliation process from the bulk g-C3N4 to g-C3N4 nanosheets, (g) UV-visible absorption spectra of the g-C3N4 nanosheets and the bulk g-C3N4.Adapted from Green Chem. journal, RSC publisher 58.

为了进一步提高g-C3N4纳米片的产量，γ-戊内酯也被用于超声剥离体相g-C3N4。考虑到γ-戊内酯具有合适的表面能和极性，Xue等将其用于剥离体相g-C3N4(图3f)，并且得到了稳定分散的少层g-C3N4纳米片分散液(浓度高达0.8 mg·mL−1)，该剥离方法可以将制备规模提高到200 mL甚至更高58。相比于体相g-C3N4，所得样品在催化环氧化合物的醇解和环氧化合物与CO2的环加成的反应中，显示出更好的性能。性能的提升归因于g-C3N4纳米片有更大的比表面积，更多的活性位点。该工作为制备大规模、高活性的g-C3N4纳米片提供了重要的参考思路。需要说明的是，虽然这个方法可以获得g-C3N4纳米片，但是制得的纳米片表面会残留一定量的γ-戊内酯。此外，纳米片的吸收带边会发生蓝移现象(图3g)，这两个问题可能会对一些特定的催化反应产生影响。

通过超声剥离得到的g-C3N4纳米片不仅能够保持体相g-C3N4的结构特征，有更少的缺陷，还可以长时间地保持稳定。此外，与氧化刻蚀法相比，超声剥离是更为绿色且更具经济效益的g-C3N4纳米片制备方法。但是，该方法需要长时间的超声，能耗也比较高。因此，更高效的氮化碳纳米片制备方法还需要进一步的探索。

2.3 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。例如，Zhu等采用化学剥离法制备了厚度仅有0.4 nm的单原子层结构g-C3N4纳米片43。剥离的原理是H2SO4插入g-C3N4的层间(图4a)，伴随着H2SO4的放热效应和超声处理，g-C3N4层间作用被弱化，最终实现分层和剥离。所得纳米片的光产氢速率为230 μmol·g−1·h−1(以Pt为助催化剂)，比体相g-C3N4高2.6倍。单层的g-C3N4纳米片拥有高活性的原因主要是有更大的比表面积，更优的光生载流子传输效率。然而，通过该方法得到的产物中仍存在40%的多层g-C3N4纳米片。接着，Dong等对该方法进行了进一步的优化，得到了稳定的g-C3N4纳米片胶体悬浮液(几乎所有g-C3N4都被分成独立的纳米片)59。此外，该研究发现，g-C3N4纳米片表面的电荷正负性可以通过调节悬浮液的pH值控制。如图4b，在酸性条件下，因为氨基的质子化作用，g-C3N4纳米片的表面净电荷是正的。而在碱性条件下，因为羧酸根转变为羧酸根负离子，所以纳米片表面的Zeta电势是负值。利用该特点可以设计自组装的高稳定性、高活性的g-C3N4基异质结复合物。例如，Kwon等用该法制备的g-C3N4纳米片作为阳离子结构单元，构建了具有高效电催化产氢性能的g-C3N4-MoS2复合催化剂46。相比于体相MoS2(127.4 mV·dec−1)，g-C3N4-MoS2有更小的Tafel斜率(89.4 mV·dec−1)，以及更高的电流密度。这表明g-C3N4-MoS2的析氢能力高于体相MoS2，也证明了g-C3N4纳米片可以与其他材料通过界面电子耦合作用构筑高效电催化剂。

图4 (a)化学法剥离g-C3N4 纳米片示意图43；(b)不同pH 值时，g-C3N4 纳米片溶胶的Zeta 电势59；磷酸质子化的多孔g-C3N4 纳米片(P-PCNNS)的AFM 图(c)及对应的高度图(d)，光催化产氢活性图(e)和CO2 还原活性图(f)(其中，CNNS 表示液相超声剥离的g-C3N4 纳米片，BCN 表示体相g-C3N4) 60.Fig. 4 (a) Schematic diagram of chemical exfoliation for g-C3N4 nanosheets. Adapted from J. Mater. Chem. A journal,RSC publisher 43. (b) Zeta potentials and photographs (inset) of g-C3N4 nanosheets colloids at various pH values.Adapted from Chem. Commun. journal, RSC publisher 59. AFM image (c) and corresponding height profile (d) of protonated porous graphitic carbon nitride nanosheets (P-PCNNS), photocatalytic activity for H2 production (e) and CO2 conversion (f) CNNS represents g-C3N4 nanosheets exfoliated by liquid ultrasonic-exfoliation method, and BCN represents bulk g-C3N4. Adapted from Small journal, Wiley publisher 60.

体相g-C3N4也可以通过类似的方法，用磷酸(H3PO4)进行剥离，进而得到磷酸质子化的多孔g-C3N4纳米片60。根据原子力显微镜(AFM)测试结果(图4c,d)，多孔纳米片的厚度约为1 nm。磷酸的作用除了插层、剥离体相g-C3N4以外，它还能赋予g-C3N4纳米片更多的活性位点和跨平面的光生电子转移通道。因此，相比于体相g-C3N4和普通超声剥离的g-C3N4纳米片，磷酸质子化的多孔g-C3N4纳米片表现出更好的光催化产氢活性及CO2光转换效率(图4e,f)。

总而言之，相比于产量低、能耗高的氧化刻蚀法，需要长时间超声的超声剥离法，化学法可以缩短制备时间、提高制备效率。

2.4 机械法

与化学法不同，为了避免强酸的引入，Han等采用简单和环境友好的球磨法制备出超薄g-C3N4纳米片(图5a)47。所得样品尺寸为2-6 nm，厚度为0.35-0.7 nm。因为超薄纳米片样品的比表面积提升、厚度减小、能带结构得到了优化，因此在以Pt为助催化剂，三乙醇胺为牺牲剂的条件下，它可见光光催化产氢活性可达1365 μmol·h-1·g-1，比体相g-C3N4高13.7倍。

在另一项工作中，Ji等将体相g-C3N4与1-芘丁酸盐(Py-COOH, sodium salt)进行混合球磨，进而对体相C3N4进行剥离和改性(图5b)48。研究发现，研磨弱化体相g-C3N4层间的范德华力。此外，因为π-π相互作用，Py-COOH会吸附在剥离下来的g-C3N4纳米片上。由于－COOH的存在会产生斥力，所以剥离下来的纳米片能够保持稳定分散，不会发生堆叠现象。通过该法制备得到的g-C3N4纳米片既能保留体相g-C3N4的光电性质，也能拥有Py-COOH修饰后的优良界面性质。

图5 (a)球磨法剥离g-C3N4 纳米片流程图47；(b)机械法剥离和改性g-C3N4 纳米片示意图48；MoB-C3N4 与对照组的线性扫描伏安极化曲线(c)与相应的塔菲尔图(d) 31Fig. 5 (a) Schematic of the physical exfoliation of bulk GCN by ball milling to prepare g-C3N4 nanosheets.Adapted from Nano Res. journal, Springer Nature publisher 47. (b) Exfoliation and modification process of g-C3N4 via noncovalent π–π stacking interaction Adapted from J. Am. Chem. Soc. journal, ACS publisher 48.(c) LSV polarization curves and (d) corresponding Tafel plots of g-C3N4. Adapted from Angew. Chem. Int. Ed. journal, Wiley publisher 31.

2018年，Zhuang等将具有类似贵金属Pt特性的MoB与g-C3N4共同研磨，得到了具有肖特基效应的MoB/g-C3N4析氢催化剂31。相比于g-C3N4和MoB，该肖特基催化剂显示出更小的过电势，和更高的电流密度(图5c)。此外，它的Tafel斜率仅为46 mV·dec−1，小于MoB (58 mV·dec−1) (如图5d)。因此，它的析氢活性远高于MoB和g-C3N4。受此工作启发，我们认为在使用球磨法制备g-C3N4纳米片的同时，加入类似MoB的活性材料共同球磨，可以获得相应肖特基结异质催化剂，这类催化剂有望助力高效电催化析氢反应。

相比于其他方法，球磨法的优势在于：剥离制备g-C3N4纳米片的同时，通过加入其他活性材料能够对它的光电性能进行优化，进而实现剥离与改性一举两得。

2.5 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(Topdown approach)13。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。

大多数g-C3N4纳米片的制备面临着产率低、耗时等问题，这些问题制约了对g-C3N4潜在的研究和应用。Wu等报道以氯化铵(NH4Cl)作为气体模板(软模板)，采用一步法合成大片的高质量的g-C3N4纳米片(图6a，b)50。合成过程如图6c所示：首先将2 g双氰胺和10 g NH4Cl混合均匀，然后将混合物置于550 °C条件下煅烧4 h。在煅烧过程中，NH4Cl可以提供动态的气体模板，促进形成超薄、高质量的g-C3N4纳米片。通过该法得到的g-C3N4纳米片具有大比表面积、厚度低、禁带增宽等特点。该工作为规模化制备g-C3N4纳米片提供新的灵感。另外，Yan等以KCl为软模板合成了K修饰的g-C3N4纳米片49。他们发现，KCl不仅可以作为纳米片的模板，也能够作为掺杂剂修饰C3N4上的芳香环π共轭体系，因此有效提升了光生载流子的分离效率。

目前，大多数报道的g-C3N4纳米片都是结晶度低的缺点，这是由于在热处理含氮的碳基前驱体聚合过程中，通常会有－NH2基团残留。这些未反应的－NH2基团通常被定义为结构缺陷，会成为光催化反应中的载流子捕获位点，从而影响光催化活性。为此，Chen等通过Ni泡沫作为模板，诱导制备高结晶g-C3N4纳米片(HC-CN)51，制备过程如图6d所示。研究发现，Ni泡沫不仅能作为模板让g-C3N4纳米片沉积，防止g-C3N4纳米片的堆叠，提升比表面积，它还可以作为催化剂，促进－NH2基团的脱氢反应，进一步加强g-C3N4的聚合和结晶。所得样品表现出优异的产氢活性，产氢速率比体相g-C3N4(CN)高20倍(图6e)。相比于体相g-C3N4，高结晶g-C3N4纳米片光生载流子寿命和分离效率都有一定程度的提升(图6f)，因此具有较高的光产氢活性。

2.6 其他方法

除了上述方法，还有很多方法可以用于g-C3N4纳米片的制备，例如气相沉积61,62、溶剂热法63、水热法64,65等等。我们以脒基脲(双氰胺的水解产物)作为前驱体，通过一步热聚合的方式成功合成了高活性的g-C3N4纳米片，并发现该纳米片有较大的比表面积、较高的载流子分离效率，以及合适的能带结构，进而表现出优异的光催化产氢活性，其光产氢活性比直接水热双氰胺得到的样品高4.9倍，比尿素热聚合得到的g-C3N4纳米片活性高2.4倍36。采用该方法制备的g-C3N4纳米片，其产率可达11.9%，是尿素热聚合制备g-C3N4纳米片产率的10倍以上。该工作能够为设计高活性、高产量的g-C3N4纳米片提供新的思路。

此外，Yu等采用乳酸介导的方法合成了高产的g-C3N4纳米片：首先将乳酸与三聚氰胺通过氢键相连形成共聚单体，随后高温煅烧该共聚单体即可得到g-C3N4纳米片66。共聚单体中的乳酸不仅可以提升体相g-C3N4的剥离效率，还可以极大提升g-C3N4纳米片的产量(大约35%)。产量提升的原因在于乳酸能够与三聚氰胺分子的紧密耦合，从而有效地抑制了三聚氰胺及其中间产物的快速升华。除了乳酸分子以外，乙酸分子也可以实现类似的效果，证明了该方法具有普适性。这为g-C3N4纳米片的合成开辟了新的方向——首先将此类物质与含氮的碳基前驱体预组装形成共聚体，接着通过进一步煅烧直接合成g-C3N4纳米片。

3 总结与展望

二维g-C3N4纳米片因其独特的物理化学性质，引起了广大科研工作者的关注。目前，科研人员已开发了多种制备g-C3N4的制备策略，包括热氧化刻蚀、超声剥离、化学法分层、机械法以及模板法等。虽然关于制备g-C3N4纳米片的研究已经取得了一定的进展(表2)，但是目前还存在一些制约因素：(1)能耗高，例如氧化还原刻蚀法一般需要500 °C以上的高温热处理。(2)时间长，比如超声剥离法常常需要超过10 h的超声，影响了g-C3N4的合成效率。(3)产率低，虽然大多数制备g-C3N4纳米片的方法都比较简单易行，但是产率往往不高(一般低于10%)。(4)一些制备方法不可避免地会引入杂原子，从而影响g-C3N4的π共轭程度和电子离域。(5)难以规模化合成高结晶、少缺陷的g-C3N4纳米片。

表2 g-C3N4 纳米片的制备方法与性能比较Table 2 Preparation methods and properties of g-C3N4 nanosheets.

基于g-C3N4制备和应用所面临的问题与挑战，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，可以搭配不同的方法(例如化学法和超声法结合)，结合它们的优势，对体相g-C3N4进行剥离。在提高剥离效率的同时，也能保证得到高质量的g-C3N4纳米片。

(2)虽然小尺寸的催化材料拥有更大的比表面积，更有利于吸附和活化反应物分子。但是，在设计和制备小尺寸g-C3N4纳米片时，还应该考虑尺寸对π共轭度以及电子离域的影响。因为它们对于载流子的传输、扩散都有一定的影响。因此，平衡上述两个因素与尺寸的关系，继续探索、设计更合理的g-C3N4纳米片十分必要。

(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)在探究g-C3N4催化性能时，除了关注载流子分离效率(光催化动力学)等表征的反应结果呈现，还应该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)理论计算对于预测g-C3N4的催化性能具有重要意义，因此，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。