下载文档原格式
g-C3N4及其复合材料的制备及光降解性能的研究的开题报告一、研究背景和意义纳米材料是一种组织结构在纳米尺度范围内的材料，纳米材料由于其高比表面积、小尺寸效应等特点，具有与传统材料完全不同的特殊物理、化学和生物学性质，对于环境治理和生态保护具有重要的意义。
其中，纳米半导体材料具有良好的光催化性能和吸光能力，这使得它们在处理有机废水、水中有毒物质和空气中的污染物等方面具有广泛应用前景。
常用的纳米半导体材料包括二氧化钛（TiO2）、氮化硼（BN）、二硫化钼（MoS2）等。
其中具有独特优势的是氮化碳（g-C3N4）材料，因其优异的化学稳定性、低毒性和较高的光催化性能而备受关注。
此外，g-C3N4材料还可以与其他纳米材料组成复合材料，具有独特的光电催化性能和催化机制。
因此，本文旨在研究g-C3N4及其复合材料的制备方法和光降解性能，为环境治理和污染物治理提供新方案。
二、研究内容和方法1. 制备g-C3N4纳米材料和复合材料本研究将采用模板法、热聚合法、溶胶-凝胶法等方法制备g-C3N4纳米材料，并将其与各种纳米材料如二氧化钛、氧化铜、氢氧化铁等进行复合。
同时调控反应参数，探究制备工艺对材料性能的影响。
2. 表征材料结构和性质利用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线光电子能谱（XPS）等分析表征手段研究材料的物理结构和化学性质。
3. 研究光催化分解有机污染物利用紫外可见光束测试仪，评价g-C3N4和复合材料对有机污染物（如罗丹明B）降解的光催化性能，研究不同反应条件下反应速率和降解效率的变化规律。
4. 探究光催化机制通过实验和理论研究，探究g-C3N4和复合材料光催化降解有机污染物的机制，进一步深化对材料性质和催化机制的认识。
三、研究预期成果本研究预期实现以下成果：1. 成功制备g-C3N4纳米材料和多种复合材料，并探究制备工艺对材料性质的影响。
2. 对制备的材料进行充分表征，并明确其物理结构和化学性质。
g-C3N4基光催化剂的合成及性能优化的研究g-C3N4基光催化剂的合成及性能优化的研究近年来，光催化技术因为其在环境污染治理、能源转化和有机合成等方面的巨大潜力，受到了广泛的关注。
在这些应用中，g-C3N4基光催化剂因其可见光响应和较高的光催化活性而备受瞩目。
g-C3N4是一种类似于石墨烯的二维材料，由碳、氮元素组成。
由于其具有较高的可见光吸收能力和良好的电子传导性，因此成为制备光催化剂的有力候选材料。
然而，纯g-C3N4的光催化活性较低，主要原因是其带隙能量较大，不利于可见光的吸收。
因此，针对g-C3N4的合成和性能优化成为了当前研究的热点之一。
目前，研究者们通过一系列方法来合成g-C3N4光催化剂，并改善其光催化性能。
一种常见的方法是通过热聚合的方式制备g-C3N4。
通常，蓝薯、尿素等富含氮元素的有机物被选择为前身，经过简单的热处理即可得到g-C3N4材料。
此外，研究者们还探索了其他合成方法，如溶剂热法、微波辐射法和气相沉积法等。
这些方法在改善光催化性能方面发挥了积极的作用。
为了进一步提高g-C3N4光催化剂的性能，研究者们采用了多种方法对其进行改性。
一种常见的方法是通过掺杂其他元素来引入缺陷或能带调制。
例如，研究者们通过掺杂金属等元素，有效降低了g-C3N4的带隙能量，并增强了其可见光吸收能力。
此外，还有研究表明，通过改变g-C3N4的形貌和结构，也可以显著改善其光催化性能。
如采用纳米多孔结构、片状结构等形貌设计，可以增加催化剂的比表面积和光响应能力。
除了合成和形貌结构的改进，提高光催化性能还需要研究者们合理设计反应体系。
例如，在选择催化剂和底物的组合时，需要考虑其能级匹配和反应活性。
此外，还需要优化催化条件，如光照强度、反应温度、pH值等，以提高催化效率。
同时，研究者们也在不断探索新的催化机制，以深入理解g-C3N4光催化剂的工作原理。
综上所述，g-C3N4基光催化剂的合成及性能优化的研究是一个复杂而富有挑战性的领域。
g-C3N4基纳米复合材料在光催化领域的研究进展作者：王丽敏吕芳莹宋常超来源：《赤峰学院学报·自然科学版》2020年第10期摘要：g-C3N4是一种新型环保且又廉价易得的非金属半导体材料，被广泛应用于降解环境介质污染物和生产可再生清洁能源等领域。
本文介绍了g-C3N4基纳米复合材料的制备及其在光催化领域的应用，包括光催化降解污染物、光催化制氢、光催化还原CO2等。
大量的研究表明，为进一步扩大g-C3N4复合光催化材料应用，研究者们采用调控形貌、元素掺杂、与其他半导体复合、贵金属沉积、多孔化等多种方法对g-C3N4进行了改性，使得光催化性能有所升高。
关键词：g-C3N4;光催化;降解;产氢;CO2还原中图分类号：O643.36 文献标识码：A 文章编号：1673-260X（2020）10-0008-061 引言随着社会的不断进步和经济的快速发展，解决化石燃料导致的环境污染和能源短缺问题迫在眉睫[1]。
为了实现社会可持续发展，研究者们不断探索绿色、环保、高效的新兴技术。
光催化技术是光能驱动的反应过程，利用催化剂使丰富的太阳能转化为化学能，具有绿色友好、成本低等特点，被认为是最有前途的技术之一。
高效、低成本和易于制备的光催化剂是光催化研究的重中之重，在过去的数十年内，光催化剂多基于金属氧化物、金属硫化物及氧化物的聚合半導体等。
这些半导体在表现出良好性能的同时也对环境造成了污染，且价格较贵[2-4]。
石墨相氮化碳（g-C3N4）是一种二维层状结构的无金属聚合物型半导体，由丰度高的元素组成，层与层之间以范德华力相结合。
因其具有良好的可见光响应性质、高的热和化学稳定性、结构形态易调控、无毒、容易制备、廉价易得等众多优势，自2009年首次[5]发现它应用在可见光照下分解水产氢气和氧气以来，引起研究者的广泛关注。
但是，g-C3N4与其他传统光催化剂（金属氧化物、金属硫化物）一样，具有光生电子-空穴复合率高、可见光吸收范围窄等缺点。
第３４卷 第２期 陕西科技大学学报 Ｖｏｌ．３４Ｎｏ．２ ２０１６年４月 ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｈａａｎｘｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ａｐｒ．２０１６* 文章编号：１０００-５８１１（２０１６）０２-００５９-０５ｇ-Ｃ３Ｎ４／ｇ-Ｃ３Ｎ４异质结结构的制备及其光催化性能李军奇，郝红娟，周 健，崔明明，孙 龙，袁 欢（陕西科技大学材料科学与工程学院，陕西西安 ７１００２１）摘 要：采用简单的热分解法，分别以硫脲、尿素及硫脲和尿素混合物等为原料，制备了三种具有不同能带结构的石墨相氮化碳（ｇ-Ｃ３Ｎ４），并使用ＸＲＤ、ＡＦＭ、ＳＥＭ、ＵＶ-ｖｉｓ等测试方法对所制备样品的晶相结构、形貌、以及光吸收能力等进行了表征，同时研究了不同能带结构的样品对甲基橙的光降解性能．结果表明：制备出的三种样品均是以三嗪环为基本结构单元的片层状化合物．其中，以硫脲和尿素混合物为原料制备出的ｇ-Ｃ３Ｎ４／ｇ-Ｃ３Ｎ４异质结厚度为１．０５ｎｍ，禁带宽度为２．７５ｅＶ，其对甲基橙的降解效率高于分别以硫脲、尿素为原料制备的ｇ-Ｃ３Ｎ４，这是因为制备出的ｇ-Ｃ３Ｎ４／ｇ-Ｃ３Ｎ４异质结结构，促进了电荷的有效分离和传输，提高了可见光光催化活性．关键词：石墨相氮化碳；异质结；可见光；电荷的分离与传输中图分类号：Ｏ６４ 文献标志码：ＡＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆｇ-Ｃ３Ｎ４／ｇ-Ｃ３Ｎ４ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎｆｏｒｅｎｈａｎｃｅｄｖｉｓｉｂｌｅ-ｌｉｇｈｔｐｈｏｔｏｃａｔａｌｙｓｉｓＬＩＪｕｎ-ｑｉ，ＨＡＯＨｏｎｇ-ｊｕａｎ，ＺＨＯＵＪｉａｎ，ＣＵＩＭｉｎｇ-ｍｉｎｇ，ＳＵＮＬｏｎｇ，ＹＵＡＮＨｕａｎ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈａａｎｘｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ′ａｎ７１００２１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｐｒｅｓｅｎｔｗｏｒｋｄｅｖｅｌｏｐｅｄａｆａｃｉｌｅｉｎｓｉｔｅｔｈｅｒｍｏｐｏｌｙｍｅｒｉｚａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｔｏｃｏｎ-ｓｔｒｕｃｔｇ-Ｃ３Ｎ４，ｇ-Ｃ３Ｎ４ｓａｍｐｌｅｓｗｅｒｅｐｒｅｐａｒｅｄｆｒｏｍｕｒｅａ，ｔｈｉｏｕｒｅａａｎｄｍｏｌｅｃｕｌａｒｃｏｍｐｏｓｉｔｅｐｒｅｃｕｒｓｏｒｓｏｆｕｒｅａａｎｄｔｈｉｏｕｒｅａ．Ｔｈｅａｓ-ｐｒｅｐａｒｅｄｓａｍｐｌｅｓｗｅｒｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄｂｙＸＲＤ，ＡＦＭ，ＳＥＭ，ＵＶ-ｖｉｓｆｏｒｃｒｙｓｔａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙａｎｄａｂｓｏｒｐｔｉｏｎａｂｉｌｉｔｙｏｆｖｉｓｉｂｌｅｌｉｇｈｔ．ＴｈｅｐｈｏｔｏｃａｔａｌｙｔｉｃａｃｔｉｖｉｔｙｗａｓｔａｋｅｎｏｕｔｂｙｔｈｅｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎｏｆＭＯｓｏｌｕｔｉｏｎ．Ｗｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄｔｈａｔｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｂａｎｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｇ-Ｃ３Ｎ４ｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｄｂｙｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｒｅｃｕｒｓｏｒｓ．Ｔｈｉｓｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｔｈｒｅｅｋｉｎｄｓｏｆｓａｍｐｌｅｓｈａｖｅｔｈｅｓａｍｅｃｒｙｓｔａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｔｈｅｙａｌｌｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｓ-Ｔｒｉａｚｉｎｅｓｕｎｉｔｓｉｎｔｅｒｌａｙｅｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｔｈｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｇ-Ｃ３Ｎ４／ｇ-Ｃ３Ｎ４ｉｓ１．０５ｎｍａｎｄｔｈｅｂａｎｄｇａｐｅｎｅｒｇｉｅｓｏｆｇ-Ｃ３Ｎ４／ｇ-Ｃ３Ｎ４ｉｓ２．７５ｅＶ，ｇ-Ｃ３Ｎ４／ｇ-Ｃ３Ｎ４ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎｐｏｓｓｅｓｓｅｘ-*收稿日期：２０１５-１０-２８基金项目：国家自然科学基金项目（５１２０３１３６）；陕西科技大学学术骨干培育计划项目（ＸＳＧＰ２０１２０２）；陕西科技大学自然科学基金项目（ＺＸ１１-１４）作者简介：李军奇（１９７８－），男，陕西西安人，副教授，博士，研究方向：环境催化材料陕西科技大学学报第３４卷ｃｅｌｌｅｎｔｐｈｏｔｏｃａｔａｌｙｔｉｃａｃｔｉｖｉｔｙｔｈａｎｔｈｅｓｉｎｇｌｅｐｈａｓｅｇ-Ｃ３Ｎ４（ｔｈｉｏｕｒｅａ）ａｎｄｇ-Ｃ３Ｎ４（ｕｒｅａ）ｕｎ-ｄｅｒｖｉｓｉｂｌｅｌｉｇｈｔ．Ａｇ-Ｃ３Ｎ４／ｇ-Ｃ３Ｎ４ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎｐｒｏｍｏｔｅｔｈｅｓｅｐａｒａｔｉｏｎａｎｄｔｒａｎｓｆｅｒｏｆｃｈａｒｇｅａｎｄｅｎｈａｎｃｅｖｉｓｉｂｌｅｌｉｇｈｔｐｈｏｔｏｃａｔａｌｙｔｉｃａｃｔｉｖｉｔｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｇ-Ｃ３Ｎ４；ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ；ｖｉｓｉｂｌｅｌｉｇｈｔ；ｃｈａｒｇｅｓｅｐａｒａｔｉｏｎａｎｄｔｒａｎｓｆｅｒ０ 引言石墨相氮化碳（ｇ-Ｃ３Ｎ４）作为一种典型的聚合物半导体，因其独特的半导体能带结构和优异的化学稳定性，广泛应用于光催化领域，如光催化降解有机物［１］、光催化分解水制氢［２］等．然而，纯的ｇ-Ｃ３Ｎ４因其光生电子-空穴对的高复合率，其光催化活性受到了限制．因此，应通过对ｇ-Ｃ３Ｎ４进行改性来提高其光催化活性．例如，通过金属掺杂［３］（如Ａｇ）、非金属掺杂（如Ｓ、Ｂ、Ｏ等）［４-７］、半导体复合（如ＣｄＳ、Ｂｉ２ＷＯ６等）［８，９］来对其进行改性．但是，这些结果并不理想．对于这一问题，应寻找不同的方法，来提高半导体材料的电子和空穴的转移．通常情况下，ｇ-Ｃ３Ｎ４都是用氮含量丰富的前驱体高温分解来制备．例如，氰胺、二聚氰胺、三聚氰胺、三聚硫氰酸、尿素［１，１０，１１］等．但是，上述前驱体原材料在制备ｇ-Ｃ３Ｎ４过程中往往涉及到较为复杂的步骤或者制备出的样品催化性能不显著［１２］．同时，更重要的一点是，ｇ-Ｃ３Ｎ４其本身类似于高分子的结构而不利于光生电子空穴的有效分离和传输，致使其光催化性能不够理想．针对这些问题，研究人员试图通过多种方法来调控ｇ-Ｃ３Ｎ４的结构，以改进其性能［１３］．考虑到ｇ-Ｃ３Ｎ４聚合物的性质，可使用不同的前驱体来调整ｇ-Ｃ３Ｎ４的能带结构，从而提高光生电子空穴对的有效分离和传输［１３］．如果采用两种原料制备的氮化碳的能带结构能够匹配，形成异质结构，就可以提供一种新颖的方法来解决ｇ-Ｃ３Ｎ４固有的缺陷，在没有依赖额外半导体的情况下促进电子空穴的分离以增强光催化性能．为此，本研究设计以硫脲和尿素混合物为原料制备出了石墨相氮化碳异质结结构，形成了同型异质结（ｎ－ｎ同型异质结），促进了半导体界面电子空穴转移，从而提高了光催化性能．１ 实验部分１．１ 实验药品硫脲（Ｈ２ＮＣＳＮＨ２，≥９９．０％，天津市滨海科迪化学试剂有限公司）；尿素（Ｈ２ＮＣＯＮＨ２，≥９９．０％，天津市福晨化学试剂厂）；无水乙醇（ＥｔＯＨ，９９．７％，天津市河东区红岩试剂厂）；实验中所用水均为去离子水．１．２ 样品的制备称取一定量的原料，加入３０ｍＬ的去离子水，搅拌均匀得到黄色溶液，将混合均匀的溶液在６０℃下干燥１２ｈ，转入氧化铝坩埚中并加盖，在马弗炉里面煅烧，以１５℃／ｍｉｎ的升温速率加热到５５０℃，保温２ｈ．反应完全后，将氧化铝坩埚冷却至室温，最后得到黄色ｇ-Ｃ３Ｎ４，并将其研磨收集并进一步使用．在冷却过程中生成的气体被稀释过的碱性溶液吸收．其中，以硫脲为原料制备的样品记为ｇ-Ｃ３Ｎ４（硫脲），以尿素为原料记为ｇ-Ｃ３Ｎ４（尿素），以尿素和硫脲按１∶１混合为原料记为ｇ-Ｃ３Ｎ４／ｇ-Ｃ３Ｎ４．１．３ 样品的分析与表征采用日本Ｒｉｇａｋｕ公司的Ｄ／Ｍａｘ-２２００ＰＣ型Ｘ射线衍射仪（Ｘ-ｒａｙＤｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ，ＸＲＤ）对样品的成分和结晶度等进行分析（ＣｕＫα辐射，λ＝０．１５４１８ｎｍ，管压４０ｋＶ，管流４０ｍＡ，狭缝ＤＳ、ＲＳ和ＳＳ分别为１°、０．３ｍｍ和１°）；采用Ｓ-４８００型日立扫描电子显微镜（ＳｃａｎｎｉｎｇＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＭｉｃｒｏｓｃｏ-ｐｙ，ＳＥＭ）对所制备样品的形貌进行表征；采用紫外可见吸收光谱仪（ＵＶ-ＶＩＳ，Ｌａｍｂｄａ９５０，ＰｅｒｋｉｎＥｌｍｅｒ）对样品的吸附性能进行分析；采用ＳＰＩ３８００Ｎ／ＳＰＡ４００型日本精工原子力显微镜（Ａ-ｔｏｍｉｃＦｏｒｃｅＭｉｃｒｏｓｃｏｐｙ，ＡＦＭ）对样品的厚度进行分析．１．４ 催化剂的评价光催化降解实验采用氙灯作为光源，通过波长大于４２０ｎｍ的滤波片过滤掉紫外光部分．套杯外层通入冷凝水以确保催化反应的温度恒定．以浓度为１０ｍｇ／Ｌ、体积为１０ｍＬ的甲基橙溶液为目标降解物，催化剂加入量为０．０１ｇ．先暗反应３０ｍｉｎ，以确保达到吸附平衡，然后光反应，进行采点．取样后将样品离心，并取其上清液进行紫外测试，做出紫外吸收光谱．・０６・第２期李军奇等：ｇ-Ｃ３Ｎ４／ｇ-Ｃ３Ｎ４异质结结构的制备及其光催化性能２ 结果与讨论２．１ ＸＲＤ测试图１为不同原料制备的ｇ-Ｃ３Ｎ４的ＸＲＤ衍射图．从图１可以看出，采用不同原料制备的ｇ-Ｃ３Ｎ４具有两个明显的衍射峰，在２θ＝１３．８°、２７．３°处，分别对应于ｇ-Ｃ３Ｎ４（ＰＤＦＮｏ．８７-１５２６）卡片中的（１００）和（００２）晶面，说明所合成样品中有三－Ｓ－三嗪单元存在［１］．位于１３．８°处的峰是均三嗪单元的面内结构峰；而位于２７．３°处的最强峰是芳香环系统典型的层间堆垛峰．同时，从图１还可以看出，没有杂相的衍射峰出现，说明实验过程中所得的产物为纯相的ｇ-Ｃ３Ｎ４．图１ 不同原料制备的ｇ-Ｃ３Ｎ４的ＸＲＤ图图２为三种样品（００２）晶面对应衍射峰的放大图．从图２可以看出，ｇ-Ｃ３Ｎ４（尿素）（００２）晶面的衍射角（２７．３°）相对于ｇ-Ｃ３Ｎ４（硫脲）的衍射角（２６．９°）向大角度偏移，这是因为尿素中额外留下的特征序列的氧促进了缩合过程，并确保了结构的完整性．通过计算，ｇ-Ｃ３Ｎ４（硫脲）和ｇ-Ｃ３Ｎ４（尿素）晶面间距分别是０．３２７ｎｍ和０．３２３ｎｍ，表明了ｇ-Ｃ３Ｎ４（尿素）的晶体结构为密堆积形式．进一步从图２中观察到，ｇ-Ｃ３Ｎ４／ｇ-Ｃ３Ｎ４的衍射角（２７．１°）位于ｇ-Ｃ３Ｎ４（硫脲）和ｇ-Ｃ３Ｎ４（尿素）之间，确认了ｇ-Ｃ３Ｎ４／ｇＣ３Ｎ４异质结的形成［１２］．由于分子组合前驱体的使用，ｇ-Ｃ３Ｎ４（硫脲）和ｇ-Ｃ３Ｎ４（尿素）之间的电子的耦合发生在原子能级．２．２ ＳＥＭ表征结果图３为以不同原料制备的ｇ-Ｃ３Ｎ４的扫描电镜图．从图３（ａ）可以看出，ｇ-Ｃ３Ｎ４（硫脲）是由密集的厚层组成的块状结构；从图３（ｂ）可以看出，ｇ-Ｃ３Ｎ４（尿素）是由片状薄层组成，结构类似于石墨烯纳米片．ｇ-Ｃ３Ｎ４（硫脲）和ｇ-Ｃ３Ｎ４（尿素）的形貌有所不同，是因为硫脲和尿素有不同的分子结构，硫脲中图２ （００２）晶面对应衍射峰的放大图有硫原子，尿素中有氧原子，在氮化碳的缩合和纳米结构的形成中具有重要作用．图３（ｃ）和３（ｄ）是ｇ-Ｃ３Ｎ４／ｇ-Ｃ３Ｎ４的扫描照片，从图中可以看出它类似于ｇ-Ｃ３Ｎ４（硫脲）和ｇ-Ｃ３Ｎ４（尿素）片层状的结构．（ａ）ｇ-Ｃ３Ｎ４（硫脲）（ｂ）ｇ-Ｃ３Ｎ４（尿素）（ｃ）、（ｄ）ｇ-Ｃ３Ｎ４／ｇ-Ｃ３Ｎ４异质结图３ ｇ-Ｃ３Ｎ４（硫脲）、ｇ-Ｃ３Ｎ４（尿素）、ｇ-Ｃ３Ｎ４／ｇ-Ｃ３Ｎ４异质结的ＳＥＭ图２．３ ＡＦＭ分析图４为以硫脲和尿素混合物为原料制备的ｇ-Ｃ３Ｎ４纳米片的ＡＦＭ图和厚度分析．从图４（ａ）中可以看到，ｇ-Ｃ３Ｎ４普遍呈片状分布；从图４（ｂ）和图４（ｃ）中可以看到，谷底的位置位于６．５１ｎｍ处，谷口的位置位于７．５１ｎｍ处，这两个点的高度差为１．０５ｎｍ，即为ｇ-Ｃ３Ｎ４／ｇ-Ｃ３Ｎ４纳米片的厚度．通常情况下，单层ｇ-Ｃ３Ｎ４的厚度约为０．３２５ｎｍ．ｇ-Ｃ３Ｎ４纳米片的厚度为１．０５ｎｍ，与单层纳米片的厚度相比较，可以得知所测数据大概是两三层纳米片的厚度，虽然在ＳＥＭ图上没有呈现出单层纳米片的形貌，这主要是因为在制样过程中纳米片之间会发生团聚和交叠的现象．ＡＦＭ的结果表明，以硫脲和尿素混合物为原料成功地制备出了片层状ｇ-Ｃ３Ｎ４／ｇ-Ｃ３Ｎ４．２．４ 紫外可见吸收光谱图５为以不同原料制备的ｇ-Ｃ３Ｎ４的紫外-可・１６・陕西科技大学学报第３４卷（ａ）ｇ-Ｃ３Ｎ４／ｇ-Ｃ３Ｎ４的ＡＦＭ图（ｂ）、（ｃ）ｇ-Ｃ３Ｎ４／ｇ-Ｃ３Ｎ４纳米片的厚度分析图图４ ｇ-Ｃ３Ｎ４／ｇ-Ｃ３Ｎ４的ＡＦＭ图及ｇ-Ｃ３Ｎ４／ｇ-Ｃ３Ｎ４纳米片的厚度分析见漫反射图谱．从图５可以清楚地看出，三种样品在可见光区有较强的吸收．ｇ-Ｃ３Ｎ４（硫脲）的吸收边在４６１ｎｍ处，ｇ-Ｃ３Ｎ４（尿素）的吸收边在４３１ｎｍ处，ｇ-Ｃ３Ｎ４／ｇ-Ｃ３Ｎ４的吸收边（４５１ｎｍ）位于ｇ-Ｃ３Ｎ４（硫脲）和ｇ-Ｃ３Ｎ４（尿素）之间．从图５也可以看出，ｇ-Ｃ３Ｎ４（硫脲）较于ｇ-Ｃ３Ｎ４（尿素）有很强的吸收强度，这是因为硫脲和尿素不同的缩合度造成．图５ 以不同原料制备的ｇ-Ｃ３Ｎ４的紫外-可见漫反射光谱图６为以不同原料制备的ｇ-Ｃ３Ｎ４的禁带宽度．通过公式Ｅｇ＝１２４０．８／λ（Ｅｇ为禁带宽度，λ为最强吸收峰的波长）计算出，ｇ-Ｃ３Ｎ４（硫脲）的禁带宽度为２．６９ｅＶ，ｇ-Ｃ３Ｎ４（尿素）的禁带宽度为２．８７ｅＶ，ｇ-Ｃ３Ｎ４／ｇ-Ｃ３Ｎ４的禁带宽度为２．７５ｅＶ，计算结果与图６一致．从图６可以看出，ｇ-Ｃ３Ｎ４（尿素）的禁带宽度相对于ｇ-Ｃ３Ｎ４（硫脲）发生了蓝移，这是因为热处理过程中量子效率的限制导致ｇ-Ｃ３Ｎ４（尿素）形成薄片结构，另一方面是由于ｇ-Ｃ３Ｎ４（硫脲）和ｇ-Ｃ３Ｎ４（尿素）不同的缩合度和尺寸大小引起．而ｇ-Ｃ３Ｎ４／ｇ-Ｃ３Ｎ４的禁带宽度位于ｇ-Ｃ３Ｎ４（硫脲）和ｇ-Ｃ３Ｎ４（尿素）之间，进一步证明了ｇ-Ｃ３Ｎ４／ｇ-Ｃ３Ｎ４异质结的形成．图６ 以不同原料制备的ｇ-Ｃ３Ｎ４的禁带宽度２．５ 光催化性能为了评价所合成的催化剂的光催化性能，在可见光的照射下，使用甲基橙溶液（１０ｍｇ／Ｌ）作为模拟污染物进行光催化降解实验．图７为以不同原料制备的ｇ-Ｃ３Ｎ４对甲基橙的降解图．由图７可知，三种样品在３ｈ内对甲基橙的降解效率分别是８％、３３％和４８％．很明显，ｇ-Ｃ３Ｎ４／ｇ-Ｃ３Ｎ４异质结比ｇ-Ｃ３Ｎ４（硫脲）和ｇ-Ｃ３Ｎ４（尿素）的光催化性能好．图７ 在可见光下以不同原料制备的ｇ-Ｃ３Ｎ４对甲基橙的降解随时间变化的曲线图影响光催化性能的原因很多，而本次实验主要与以不同原料制备出能带结构不同的ｇ-Ｃ３Ｎ４密切相关．已有相关文献报道［１２］，ｇ-Ｃ３Ｎ４（尿素）的价带位置比ｇ-Ｃ３Ｎ４（硫脲）更正，ｇ-Ｃ３Ｎ４（硫脲）的导带位置比ｇ-Ｃ３Ｎ４（尿素）更负，ｇ-Ｃ３Ｎ４（硫脲）和ｇ-Ｃ３Ｎ４（尿素）导带位置分别位于－０．８５ｅＶ和－０．７５ｅＶ，价带位置位于１．５８ｅＶ和１．９８ｅＶ．基于ｇ-Ｃ３Ｎ４（硫脲）和ｇ-Ｃ３Ｎ４（尿素）的导带和价带位置，其能带结构相互匹配，形成ｇ-Ｃ３Ｎ４／ｇ-Ｃ３Ｎ４异质结，有利于光生电子空穴对的有效分离和传・２６・第２期李军奇等：ｇ-Ｃ３Ｎ４／ｇ-Ｃ３Ｎ４异质结结构的制备及其光催化性能输．促进电子空穴分离的机理如图８所示．ｇ-Ｃ３Ｎ４／ｇ-Ｃ３Ｎ４异质结在可见光照射下，光生电子从ｇ-Ｃ３Ｎ４（硫脲）的导带转移到ｇ-Ｃ３Ｎ４（尿素）的导带，而光生空穴从ｇ-Ｃ３Ｎ４（尿素）的价带转移到ｇ-Ｃ３Ｎ４（硫脲）的价带，电荷的转移过程有利于克服Ｆｒｅｎｋｅｌ激子的电离以及使得电子和空穴稳定．电子流向异质结（ｇ-Ｃ３Ｎ４（尿素））的一侧，而空穴流向异质结（ｇ-Ｃ３Ｎ４（硫脲））的另一侧，减少了电子空穴对的结合．内部电子领域的建立从图８中也可以看出，两种不同晶相的ｇ-Ｃ３Ｎ４光生电子空穴的分离以及电荷的结合得到了抑制，这有利于增强光催化性能．此外，电荷的快速转移和光生电荷载流子寿命的延长，致使与催化剂载体得到充分的反应．图８ ｇ-Ｃ３Ｎ４／ｇ-Ｃ３Ｎ４异质结的机理图３ 结论通过简单的热分解法，基于ｇ-Ｃ３Ｎ４（硫脲）和ｇ-Ｃ３Ｎ４（尿素）能带结构不同，成功地制备出了ｇ-Ｃ３Ｎ４／ｇ-Ｃ３Ｎ４光催化异质结．利用各种表征手段对样品的结构、组成、形貌、降解效率和形成机理等进行了仔细分析并认为：以硫脲和尿素混合物为原料制备出的ｇ-Ｃ３Ｎ４／ｇ-Ｃ３Ｎ４异质结催化剂，具有很好的光催化性能．这主要是因为ｇ-Ｃ３Ｎ４（硫脲）和ｇ-Ｃ３Ｎ４（尿素）有不同的能带结构，使得价带和导带位置能够很好地匹配，通过能带的不连续性，ｇ-Ｃ３Ｎ４／ｇ-Ｃ３Ｎ４异质结结构促进了电荷的分离传输并延长了电荷的寿命，导致在可见光照射下，ｇ-Ｃ３Ｎ４／ｇ-Ｃ３Ｎ４异质结催化剂具有很好的光催化性能．参考文献［１］ＹａｎＳＣ，ＬｉＺＳ，ＺｏｕＺＧ．Ｐｈｏｔｏｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｇ-Ｃ３Ｎ４ｆａｂｒｉｃａｔｅｄｂｙｄｉｒｅｃｔｌｙｈｅａｔｉｎｍｅｌ［Ｊ］．Ｌａｎｇｍｕｉｒ，２００９，２５（１７）：１０３９７-１０４０１．［２］ＣａｏＳＷ，ＹｕＪＧ．ｇ-Ｃ３Ｎ４Ｂａｓｅｄｐｈｏｔｏｃａｔａｌｙｓｔｓｆｏｒｈｙｄｒｏ-ｇｅｎｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＪＰｈｙＣｈｅｍＬｅｔｔ，２０１４，５：２１０１-２１０７．［３］ＷａｎｇＸ，ＣｈｅｎＸ，ＴｈｏｍａｓＡ，ｅｔａｌ．Ｍｅｔａｌ-ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇｃａｒ-ｂｏｎｎｉｔｒｉｄｅｃｏｍｐｏｕｎｄｓ：Ａｎｅｗｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｏｒｇａｎｉｃｍｅｔａｌｈｙ-ｂｒｉｄ［Ｊ］．ＡｄｖＭａｔｅｒ，２００９，２１（１６）：１６０９-１６２１．［４］ＬｉｕＧ，ＮｉｕＰ，ＳｕｎＣＨ，ｅｔａｌ．Ｕｎｉｑｕｅｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｎｄｕｃｅｄｈｉｇｈｐｈｏｔｏｒｅａｃｔｉｖｉｔｙｏｆｓｕｌｆｕｒ-ｄｏｐｅｄｇｒａｐｈｉｔｉｃＣ３Ｎ４［Ｊ］．ＪＡｍＣｈｅｍＳｏｃ，２０１０，１３２（３３）：１１６４２-１１６４８．［５］ＹａｎＳＣ，ＬｉＺＳ，ＺｏｕＺＧ．Ｐｈｏｔｏｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎｏｆｒｈｏｄａｍｉｎｅｂａｎｄｍｅｔｈｙｌｏｒａｎｇｅｏｖｅｒｂｏｒｏｎ-ｄｏｐｅｄｇ-Ｃ３Ｎ４ｕｎｄｅｒｖｉｓｉ-ｂｌｅｌｉｇｈｔｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｌａｎｇｍｕｉｒ，２０１０，２６（６）：３８９４-３９０１．［６］ＬｉＪＨ，ＳｈｅｎＢ，ＨｏｎｇＺＨ，ｅｔａｌ．Ａｆａｃｉｌｅａｐｐｒｏａｃｈｔｏｓｙｎ-ｔｈｅｓｉｚｅｎｏｖｅｌｏｘｙｇｅｎ-ｄｏｐｅｄｇ-Ｃ３Ｎ４ｗｉｔｈｓｕｐｅｒｉｏｒｖｉｓｉｂｌｅ-ｌｉｇｈｔｐｈｏｔｏｒｅａｃｔｉｖｉｔｙ［Ｊ］．ＣｈｅｍＣｏｍｍｕｎ，２０１２，４８（９８）：１２０１７-１２０１９．［７］ＲｕａｎＬＷ，ＱｉｕＬＧ，ＺｈｕＹＪ，ｅｔａｌ．Ａｎａｌｙｓｉｓｏｆｅｌｅｃｔｒｉｃａｌａｎｄｏｐｔｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｇ-Ｃ３Ｎ４ｗｉｔｈｃａｒｂｏｎ-ｐｏｓｉｔｉｏｎｄｏ-ｐｉｎｇ［Ｊ］．ＡｎｔａＰｈｙｓＣｈｉｍＳｉｎ，２０１４，３０（１）：４３-５２．［８］ＧｅＬ，ＺｕｏＦ，ＬｉｕＪＫ，ｅｔａｌ．Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓａｎｄｅｆｆｉｃｉｅｎｔｖｉｓｉｂｌｅｌｉｇｈｔｐｈｏｔｏｃａｔａｌｙｔｉｃｈｙｄｒｏｇｅｎｅｖｏｌｕｔｉｏｎｏｆｐｏｌｙｍｅｒｉｃｇ-Ｃ３Ｎ４ｃｏｕｐｌｅｄｗｉｔｈＣｄＳｑｕａｎｔｕｍｄｏｔｓ［Ｊ］．ＪＰｈｙｓＣｈｅｍＣ，２０１２，１１６（２５）：１３７０８-１３７１４．［９］ＴｉａｎＹＬ，ＣｈａｎｇＢＢ，ＬｕＪＬ，ｅｔａｌ．Ｈｙｄｒｏｔｈｅｒｍａｌｓｙｎｔｈｅ-ｓｉｓｏｆｇｒａｐｈｉｔｉｃｃａｒｂｏｎｎｉｔｒｉｄｅ-Ｂｉ２ＷＯ６ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎｓｗｉｔｈｅｎｈａｎｃｅｄｖｉｓｉｂｌｅｌｉｇｈｔｐｈｏｔｏｃａｔａｌｙｔｉｃａｃｔｉｖｉｔｉｅｓ［Ｊ］．ＡＣＳＡｐｐｌＭａｔｅｒＩｎｔｅｒｆａｃｅｓ，２０１３，５：７０７９-７０８５．［１０］ＸＣＷａｎｇ，ＫＭａｅｄａ，ＡＴｈｏｍａｓ，ｅｔａｌ．Ａｍｅｔａｌ-ｆｒｅｅｐｏｌｙ-ｍｅｒｉｃｐｈｏｔｏｃａｔａｌｙｓｔｆｏｒｈｙｄｒｏｇｅｎｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｆｒｏｍｗａｔｅｒｕｎｄｅｒｖｉｓｉｂｌｅｌｉｇｈｔ［Ｊ］．ＮａｔＭａｔｅｒ，２００９，８（１）：７６-８０．［１１］ＮｉｕＰ，ＺｈａｎｇＬＬ，ＬｉｕＧ，ｅｔａｌ．Ｇｒａｐｈｅｎｅ-ｌｉｋｅｃａｒｂｏｎｎｉ-ｔｒｉｄｅｎａｎｏｓｈｅｅｔｓｆｏｒｉｍｐｒｏｖｅｄｐｈｏｔｏｃａｔａｌｙｔｉｃａｃｔｉｖｉｔｉｅｓ［Ｊ］．ＡｄｖＦｕｎｃｔＭａｔｅｒ，２０１２，２２（２２）：４７６３-４７７０．［１２］李 明，李雪飞，李秀艳，等．具有高催化和吸附活性的片层状石墨相氮化碳的制备与表征［Ｊ］．吉林师范大学学报，２０１３，３４（４）：１２-１４．［１３］ＤｏｎｇＦ，ＺｈａｏＺＷ，ＸｉｏｎｇＴ，ｅｔａｌ．Ｉｎｓｉｔｕｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆｉｎｓｉｔｕｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆｇ-Ｃ３Ｎ４／ｇ-Ｃ３Ｎ４ｍｅｔａｌ-ｆｒｅｅｈｅｔｅｒｏ-ｊｕｎｃｔｉｏｎｆｏｒｅｎｈａｎｃｅｄｖｉｓｉｂｌｅ-ｌｉｇｈｔｐｈｏｔｏｃａｔａｌｙｓｉｓｅｎ-ｈａｎｃｅｄｖｉｓｉｂｌｅ-ｌｉｇｈｔｐｈｏｔｏｃａｔａｌｙｓｉｓ［Ｊ］．ＡｐｐｌＭａｔｅｒＩｎｔｅｒ，２０１３，５（２１）：１１３９２-１１４０１．【责任编辑：晏如松】・３６・。
超薄g-C3N4纳米片的原位制备及其光催化性能研究超薄g-C3N4纳米片的原位制备及其光催化性能研究引言：近年来，光催化材料在环境污染治理、可持续能源等领域展现出巨大潜力。
构建高效的光催化剂对于提高光催化反应效率和光催化设备的实际应用具有重要意义。
石墨烯相氮化碳(graphitic carbon nitride, g-C3N4) 作为一种新兴的二维光催化材料，因其稳定性高、生物和光学兼容性好等特点，受到了广泛关注。
然而，传统制备方法往往存在成本高、盖茨多和晶体大小不均匀等问题，因此需要研究一种原位制备超薄g-C3N4纳米片的方法，并研究其光催化性能。
实验方法：本文采用简单有效的原位模板法制备超薄g-C3N4纳米片。
首先，将三聚氰胺 (melamine) 作为碳源，在加热条件下与氨气(NH3) 反应，形成前驱体。
然后，前驱体和硅石墨烯模板一起进行高温处理，通过模板反应生成超薄g-C3N4纳米片。
最后，采用水洗和加热处理去除模板，得到纯净的超薄g-C3N4纳米片。
实验结果与讨论：通过扫描电子显微镜 (SEM) 和透射电子显微镜 (TEM) 分析，我们观察到制备的超薄g-C3N4纳米片具有平整的片状结构，并且具有高度的片层间隙。
这种片状结构能够提高光催化反应中的光吸收效果，进一步提高光催化性能。
接下来，我们测试了超薄g-C3N4纳米片的光催化性能。
实验中以亚甲基蓝 (methylene blue) 为目标物质，使用紫外光照射样品，并监测目标物质的降解程度。
结果表明，超薄g-C3N4纳米片对亚甲基蓝具有良好的光催化降解效果。
此外，我们进一步测试了不同厚度的g-C3N4纳米片的光催化性能，并与传统g-C3N4纳米颗粒进行对比。
实验结果显示，超薄g-C3N4纳米片呈现出更高的光催化活性和降解效率，这可能是由于其较大的比表面积和优良的结构特性所导致的。
结论：本研究成功地采用原位模板法制备了具有高度片层间隙的超薄g-C3N4纳米片，并研究了其光催化性能。
g-C_3N_4基纳米复合材料的制备及其光催化性能研究五颜六色的饰品、家具早已成为了生活中必不可少的点缀,而印染业大量使用人工有机染料却可能正在毁坏着环境。
近年来,保护环境的号召喊得越来越响亮,如何利用一种对环境友好且高效节能的技术来解决环境污染的问题成为了新世纪科学家们关心的话题。
在上述背景下,半导体光催化技术作为一种绿色无污染的技术,在解决环境污染问题尤其是水污染方面的问题得到了研究者们广泛的关注。
TiO<sub>2</sub>作为一种传统的光催化剂,其在能源与环境领域被研究者们研究了很久。
但是TiO<sub>2</sub>的缺点也很明显,比如它的带隙较大（大约是3.2eV）只能吸收太阳光中处于紫外光区的光,这一点严重地限制了其对太阳光的使用率。
鉴于此,探索一种使用可见光进行催化的光催化剂成为了光催化研究领域的一大热门方向。
g-C<sub>3</sub>N<sub>4</sub>是近些年光催化领域研究的一个热门半导体材料,其禁带宽度比TiO<sub>2</sub>要小（大约是2.7eV）,对可见光有吸收。
除此之外,g-C<sub>3</sub>N<sub>4</sub>具有化学稳定性好、制备方法简便、原料来源丰富等优点。
但是g-C<sub>3</sub>N<sub>4</sub>也有缺点比如:比表面积较小、光生电子和空穴的复合率较高、光催化效率不高等。
构建表面异质结和用金属元素掺杂是改性光催化剂的重要方法,本文从以上两个角度考虑,成功制备出了TiO<sub>2</sub>纳米棒/g-C<sub>3</sub>N<sub>4</sub>纳米片异质结、镧掺杂g-C<sub>3</sub>N<sub>4</sub>纳米片和钆掺杂g-C<sub>3</sub>N<sub>4</sub>纳米片。
浓硫酸法快速制备质子化g-C3N4纳米带及其紫外光催化降解有机染料研究李娇娇;赵卫峰;张改;马爱洁;陈卫星;周宏伟【摘要】利用浓H2 SO4(质量分数98％)强的质子化作用与水合放热效应,实现了石墨相氮化碳(g-C3 N4)在浓H2 SO4中的快速剥离,制备了经浓H2 SO4质子化改性的g-C3 N4(g-C3 N4-H2 SO4)纳米带.通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)和荧光光谱(PL)等对样品进行了表征分析.结果表明,所制备的g-C3N4纳米带与浓H2 SO4发生了明显的质子化作用.相比体相g-C3 N4,g-C3 N4-H2 SO4纳米带禁带宽度明显增大,光生电子-空穴对复合率有效降低.以亚甲基蓝为目标污染物,研究了g-C3 N4-H2 SO4纳米带在紫外光下的光催化活性,结果表明,g-C3 N4-H2 SO4纳米带在2 h内对水溶液中MB的降解率可接近100％,紫外光催化性能明显优于体相g-C3 N4.【期刊名称】《高等学校化学学报》【年(卷),期】2018(039)012【总页数】6页(P2719-2724)【关键词】石墨相氮化碳;浓硫酸;快速剥离;光催化【作者】李娇娇;赵卫峰;张改;马爱洁;陈卫星;周宏伟【作者单位】西安工业大学材料与化工学院,西安710021;西安工业大学材料与化工学院,西安710021;西安工业大学材料与化工学院,西安710021;西安工业大学材料与化工学院,西安710021;西安工业大学材料与化工学院,西安710021;西安工业大学材料与化工学院,西安710021【正文语种】中文【中图分类】O644随着世界经济和现代化工业的迅猛发展, 能源短缺和环境污染问题日益严峻[1～4]. 发展性能优异、成本低廉、太阳能利用率高的半导体材料已成为光催化领域最受关注的研究方向之一.石墨相氮化碳(g-C3N4)作为一种非金属聚合物半导体, 以尿素及三聚氰胺等价格低廉的富氮化合物为前驱体, 经高温烧结即可得到[5], 原材料不受稀有资源的限制且制备工艺易于放大, 非常有利于规模化推广和应用, 引起了科研工作者的广泛关注[6～10]. 然而, 由于具有聚合物的一些特性, g-C3N4用于光催化存在比表面积小、光生电子-空穴对容易复合、对太阳光能量利用率较低等不足, 限制了其应用潜力[11,12]. 针对以上问题, 人们提出通过构建异质结[6,13～15]、与金属或非金属进行掺杂[4,16～18]及与碳材料复合[19,20]等多种方法促进光生载流子快速迁移来提高g-C3N4的光催化活性.纳米化是提高光催化材料比表面积、进行形貌调控、调整电子特性以及表面功能化改性的重要途径之一. 对片状材料进行纳米剥离可以极大地提高材料的比表面积, 暴露出更多的活性位点, 此外, 由于量子限域效应还可使二维材料表现出特殊的物理化学性能[21]. g-C3N4具有与石墨类似的片层状结构, 科研工作者们对g-C3N4纳米片和g-C3N4纳米带产生了浓厚的兴趣. Xu等[22]将体相g-C3N4加入到浓H2SO4中室温下搅拌8 h后, 加入到大量去离子水中, 超声处理后进行离心得到厚度约为0.4 nm的单层g-C3N4, 负载Pt后产氢速率达到体相g-C3N4的2.6倍.Zeng等[23]将g-C3N4加入到草酸水溶液中, 于160 ℃水热处理24 h得到g-C3N4纳米带三维网络, 负载Pt后产氢率达到了体相g-C3N4的10.9倍. Lei等[24]利用三聚氰胺与AgNO3在水溶液中的相互作用通过降温使二者同时析出, 首先制备得到AgNO3/三聚氰胺纳米线前驱体, 随后在Ar气氛下对前驱体进行高温煅烧得到Ag/C3N4.5复合纳米带, 在可见光照射下, 复合纳米带对罗丹明B的降解率可达97.5%, 且具有一定的抗菌活性. 以上方法虽然均能实现对g-C3N4的有效剥离, 但反应时间较长, 且需要经过较长时间的超声和离心处理, 工艺较繁琐.本文在浓H2SO4中对体相g-C3N4进行快速质子化, 然后加入少量的水即实现了对体相g-C3N4的快速高效剥离, 得到质子化修饰的g-C3N4纳米带(g-C3N4-H2SO4), 对产物的结构与形貌等进行了表征, 考察了纳米带在紫外光下的光催化活性.1 实验部分1.1 试剂与仪器三聚氰胺(纯度99%)和亚甲基蓝(MB, A. R.级)(上海麦克林试剂公司); 浓H2SO4(质量分数98%, 国药集团化学试剂有限公司); 无水乙醇(A. R.级, 天津市大茂化学试剂厂); 实验用水为去离子水.日本岛津公司XRD-6000型X射线衍射仪(XRD, Cu Kα1靶, 工作电压40 kV, 工作电流30 mA, 扫描速度为2°/min, 扫描范围为5°～50°); 德国Bruker公司VERTEX 70型傅里叶变换红外光谱仪(FTIR, 扫描范围为4000～400 cm-1); 美国PE公司Lambda 35型紫外-可见光谱仪(UV-Vis DRS); 美国FEI公司Quanta 400F型扫描电子显微镜(SEM); 日本电子株式会社JEM-2010透射电子显微镜(TEM); 美国PE公司LS55型荧光分光光度计(PL, 激发波长为325 nm); 日本岛津公司UV-2550型紫外-可见分光光度计(扫描范围为200～800 nm); 北京中教金源科技有限公司CEL-HXF300型300W氙灯光源.1.2 样品的制备1.2.1 体相g-C3N4的制备将装有5 g三聚氰胺的陶瓷坩埚置于箱式炉(MiCRO-X, 上海微行炉业有限公司)中, 在空气气氛中以3 ℃/min的速率升温至580 ℃, 保温3 h后随炉冷却, 即得到体相g-C3N4.1.2.2 g-C3N4纳米带的制备称取0.3 g体相g-C3N4, 加入到一定体积(10, 15, 20 mL)的98%浓H2SO4中, 机械搅拌30 min, 得到淡黄色乳浊液[图1(A)], 随后在搅拌状态下向该体系快速滴加去离子水(8～10 mL)至体系变为无色透明溶液[图1(B)], 然后向溶液中加入无水乙醇作为沉淀剂, 析出白色沉淀物[图1(C)], 抽滤后用去离子水对白色产物进行充分洗涤直至滤液呈中性, 于60 ℃真空干燥, 即得到被浓H2SO4质子化改性的g-C3N4纳米带. 根据所加浓H2SO4体积, 所得样品分别标记为g-C3N4-10H2SO4, g-C3N4-15H2SO4, g-C3N4-20H2SO4.Fig.1 Preparation process of g-C3N4 nanobelts1.3 光催化活性分析采用300 W氙灯模拟日光光源, 加装紫外反射片UVREF(200～400 nm), 以MB为目标污染物对样品的光催化活性进行评价. 将0.05 g催化剂加入到50 mL 0.03 g/L的MB溶液中, 超声10 min, 暗吸附2 h以确保达到吸附-脱附平衡. 随后在紫外光(200～400 nm)照射下对水溶液中的MB进行光催化降解, 每间隔10 min取一次样, 将取出的样品进行过滤, 取上层清液, 利用紫外-可见分光光度计测定溶液吸光度, 通过溶液中MB的浓度(初始浓度c0, 反应t时刻的浓度c)变化对光催化活性进行评价.2 结果与讨论2.1 结构与形貌表征g-C3N4的三维体相结构是以更为稳定的七嗪环为基本单元, 七嗪环中的N原子与相邻环中的—NH—/—NH2通过氢键连接形成无限扩展的二维平面结构, 层与层之间存在范德华力[25]. 事实上, 通过氰胺类单体热缩聚得到的g-C3N4由于聚合程度有限, 其结构中残留有一定量的—NH—/—NH2基团, 且七嗪环中的—C—N—基团呈弱碱性, 为其质子化改性提供了可能[26].如图2所示, 体相g-C3N4的红外光谱中在3000～3500 cm-1处出现了—NH—/—NH2的吸收峰, 1647, 1561, 1461, 1408, 1322和1242 cm -1处的吸收峰则对应于C—N(—C)—C或C—NH—C的伸缩振动, 805 cm-1处为三嗪环/七嗪环的特征吸收峰, 与文献[27]报道一致. 与体相g-C3N4相比, g-C3N4-H2SO4的吸收峰发生了明显偏移, 1647 cm-1处的吸收峰红移至1620 cm-1, 805 cm-1处三嗪环/七嗪环的吸收峰红移到799 cm-1, 1461 cm-1处的吸收峰则蓝移到1482 cm-1, 同时1561 cm-1处的吸收峰明显弱化, 这些结果表明浓H2SO4与g-C3N4在混合搅拌的过程中发生了明显的质子化作用[28]. 3000～3500 cm-1处—NH—或—NH2基团的吸收峰出现宽化, 这是由于质子化后—NH—/—NH2之间的氢键被破坏, 在样品结构边缘悬挂的—NH—或—NH2基团增多[29]. 此外, 与磷酸的质子化作用结果相类似[30], g-C3N4-H2SO4的红外光谱中在1083和613 cm-1处还出现了2个新的吸收峰, 可归结为样品中基团SO和S—O的振动吸收峰, 是浓H2SO4对g-C3N4质子化改性的结果[29].Fig.2 FTIR spectra of bulk g-C3N4 and the g-C3N4-H2SO4 nanobeltsa. Bulk g-C3N4; b. g-C3N4-10H2SO4; c. g-C3N4-15H2SO4; d. g-C3N4-20H2SO4. Fig.3 XRD patterns of bulk g-C3N4 and g-C3N4-H2SO4 nanobeltsa. Bulk g-C3N4; b. g-C3N4-10H2SO4; c. g-C3N4-15H2SO4; d. g-C3N4-20H2SO4.采用XRD谱对样品结构做进一步表征. 如图3所示, 体相g-C3N4在2θ=13.2°, 27.3°处出现尖锐的衍射峰, 分别对应于g-C3N4晶体的(100)和(002)晶面. 与体相g-C3N4明显不同的是, g-C3N4-H2SO4纳米带在2θ=13.2°处(100)晶面的特征衍射峰完全消失, (002)面衍射峰由27.3°偏移到了28°, 同时在2θ=6°, 10.9°与12.2°处出现了新的特征衍射峰, 且随浓H2SO4用量的增加新衍射峰强度逐渐增强, 进一步说明浓H2SO4与g-C3N4之间发生了质子化作用[28]. 与g-C3N4纳米棒相似[31], 2θ=6°处的衍射峰可归结为g-C3N4(001)晶面的衍射, 10.9°与12.2°处的2个衍射峰则可能是由于质子化改性和剥离作用使g-C3N4层内碳氮环堆垛距离增大引起的[32,33]. 此外, g-C3N4-H2SO4纳米带(002)晶面的衍射峰强度明显下降, 说明与体相g-C3N4相比, 纳米带被有效剥离, 片层数显著减少[23,28].采用SEM与TEM对样品形貌进行表征. 体相g-C3N4呈类石墨层状结构, 而且片层较厚[图4(A)]. 在浓硫酸质子化作用和强的水合放热作用下, 片层状的体相g-C3N4被剥离成了细长的带状, 长度约10～20 m, 呈现出类似束状的团聚状态[图4(B), (C)]. 将充分分散后的样品在透射电子显微镜下进一步放大, 可以看出单根纳米带的宽度约为30 nm[图4(D)].Fig.4 SEM images of bulk g-C3N4(A) and g-C3N4-10H2SO4 nanobelts(B,C) and TEM image of g-C3N4-10H2SO4 nanobelts(D)2.2 光学性质结合紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)与荧光光谱(PL)对g-C3N4-H2SO4纳米带的电子能带结构进行分析. 图5中体相g-C3N4的吸收带边在539 nm处; 相比于体相g-C3N4, g-C3N4-H2SO4纳米带的吸收带边发生明显蓝移, 由539 nm逐渐移动至430 nm, 说明随着浓H2SO4用量的增加, 质子化程度逐渐增强, 质子化改性的结果使g-C3N4-H2SO4纳米带禁带宽度逐渐增大[29], 其增大的原因可归结为纳米带结构中共轭长度的减小与量子限域效应. 禁带宽度的增大使价带和导带的位置朝着相反的方向发生了偏移, 对应的光生载流子的氧化还原能力随之提高[22].Fig.5 UV-Vis diffuse reflection spectra of bulk g-C3N4 and g-C3N4-H2SO4 nanobeltsFig.6 Photoluminescence spectra of bulk g-C3N4(a) and g-C3N4-10H2SO4 nanobelts(b)荧光光谱(图6)中, g-C3N4-10H2SO4纳米带发生了很明显的荧光猝灭, 说明其较薄的片层结构使光生电子-空穴对复合率明显降低, 这将有利于光催化效率的提高[34]. 此外, g-C3N4-H2SO4纳米带的荧光发射峰位置相比于体相g-C3N4发生蓝移, 这一现象与紫外-可见漫反射光谱分析结果一致.2.3 光催化活性图7示出了g-C3N4-H2SO4纳米带在紫外光下降解水溶液中MB光催化活性曲线. 可以看出, g-C3N4-H2SO4纳米带在紫外光条件下的光催化活性明显优于g-C3N4. 质子化程度最高的g-C3N4-20H2SO4纳米带显示出最好的光催化活性, 2 h内对MB的降解率接近100%.光催化活性提高的主要原因可归结为: (1) 与体相g-C3N4相比, g-C3N4-H2SO4纳米带共轭长度大幅减小, 禁带宽度变大, 纳米带的导带与价带的位置因此向相反的方向移动, 使其表面产生的光生载流子的氧化还原能力相比于体相g-C3N4有所升高[22,29]; (2) 体相g-C3N4剥离成纳米带后片层数减少, 更有利于电子的传输, 促进了光生电子与空穴的分离, 使光生电子-空穴对的复合率显著下降, 光催化活性得到提升[22].体相g-C3N4与g-C3N4-H2SO4纳米带降解MB动力学方程拟合曲线如图8所示. 图中二者的ln(c/c0)值均与时间呈现良好的线性关系, 且g-C3N4-H2SO4纳米带的光催化速率常数明显高于体相g-C3N4.Fig.7 Degradation of MB curves of bulk g-C3N4 and g-C3N4-H2SO4 nanobelts under UV light irradiationFig.8 Degradation MB kinetic equation fitting curve of bulk g-C3N4 and g-C3N4-H2SO4 nanobelts3 结论利用浓H2SO4的质子化作用高效制备了g-C3N4-H2SO4纳米带. 随着浓H2SO4含量的增加, 质子化作用逐渐增强, 对应样品的紫外光催化活性也有明显提升. 相比于g-C3N4, 经质子化改性的g-C3N4-H2SO4纳米带2 h内对MB降解率可接近100%.参考文献【相关文献】[1] Huang D., Xue W., Zeng G., Wan J., Chen G., Huang C., Zhang C., Cheng M., Xu P., Water Res., 2016, 106, 15—25[2] Yang Y. F., Chen J. J., Mao Z. Y., An N., Wang D. J., Fahlman B. D., RSC Adv., 2017, 7(4), 2333—2341[3] Cui Y. J., Wang Y. X., Wang H., Chen F. Y., Prog。
gC3N4光催化性能的研究进展一、本文概述随着全球能源危机和环境污染问题的日益严重，光催化技术作为一种绿色、环保的能源转化和环境污染治理手段，受到了广泛关注。
g-C3N4，作为一种非金属半导体光催化剂，因其独特的电子结构和良好的化学稳定性，在光催化领域展现出了广阔的应用前景。
本文旨在对g-C3N4光催化性能的研究进展进行全面的概述，从g-C3N4的基本性质出发，探讨其光催化机理，分析影响光催化性能的关键因素，总结当前的研究热点和未来的发展趋势，以期为g-C3N4光催化性能的优化和应用提供有益的参考。
本文将介绍g-C3N4的基本性质，包括其晶体结构、电子结构和光学性质等，为后续的光催化性能研究奠定基础。
接着，从光催化机理出发，阐述g-C3N4在光催化过程中的电子传递和能量转换过程，揭示其光催化活性的本质。
在此基础上，分析影响g-C3N4光催化性能的关键因素，如制备方法、形貌结构、表面性质等，为后续的性能优化提供指导。
然后，本文将重点介绍g-C3N4在光催化领域的应用研究进展，包括光催化分解水制氢、光催化还原二氧化碳、光催化降解有机污染物等方面。
通过综述这些应用领域的研究现状和发展趋势，展示g-C3N4光催化技术的实际应用价值和潜力。
本文将对g-C3N4光催化性能的研究前景进行展望，探讨未来可能的研究方向和挑战。
通过本文的概述，希望能为g-C3N4光催化性能的研究和应用提供有益的参考和启示。
二、gC3N4的基本性质与合成方法gC3N4，也被称为石墨相氮化碳，是一种非金属二维半导体材料，因其独特的电子结构和出色的物理化学性质，近年来在光催化领域引起了广泛关注。
gC3N4具有适中的禁带宽度（约7 eV），能吸收可见光，且其能带结构、电子态密度等性质使其具备成为高效光催化剂的潜力。
在合成gC3N4的方法上，研究者们已经探索出多种途径。
其中，热缩聚法是最常见的一种方法，通过将富含氮的前驱体（如尿素、硫脲、双氰胺等）在高温下进行热解，可以制得gC3N4。
g-c3n4纳米片的合成及可见光催化降解亚甲基蓝
G-C3N4纳米片的合成
G-C3N4纳米片是一种由具有高结晶度的有机聚合物构成的纳米结构材料。
其合成通常采用两步法：首先是利用一种类似于模板法的策略来制备高度有序的二聚体，然后通过高温热解的方法将其转化为纳米片。
具体地说，制备高度有序的二聚体的方法是将三聚氰胺和某些含有官能团（如羧酸）的化合物混合在一起，并在二氧化硅表面进行聚合反应。
这样就能制得具有相对规则排列的二聚体。
接下来，通过控制热解温度和时间，可以将这些二聚体转化为G-C3N4纳米片。
可见光催化降解亚甲基蓝
G-C3N4纳米片是一种具有良好的可见光催化性能的材料，可以用于降解有害化学物质。
其中，亚甲基蓝是一种常见的有机染料，被广泛用于纺织、造纸和印刷等行业，但其也会污染环境和危害人类健康。
G-C3N4纳米片的可见光催化降解亚甲基蓝的机理是利用其内部的π共轭系统吸收可见光并产生电子和空穴，从而加速亚甲基蓝分子的氧化反应。
此外，添加过硫酸铵等氧化剂也可以提高这种催化剂的降解效果。
总的来说，G-C3N4纳米片是一种具有重要应用潜力的纳米材料，在环境治理和能源领域方面具有广泛的应用前景。
第47卷第4期人工晶体学报Vol.47No.4 2018 年4 月________________________JOURNAL OF SYNTHETIC CRYSTALS___________________April,2018酸化法制备g-C3N4纳米片及其光催化性能研究杨薛峰〃，马涛〃，申倩倩2’3，薛晋波2’3，贾虎生w(1.太原理工大学材料科学与工程学院，太原030024; 2.太原理工大学新材料界面科学与工程教育部重点实验室，太原030024;3.太原理工大学新材料工程技术研究中心，太原030024)摘要:通过热缩聚三聚氰胺前驱体制备得到块状g-C3N4(b-CN)，再利用酸化法超声剥离b-CN制得g-C3N4纳米片。
采用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线衍射仪、溶液吸附法等对样品的微观形貌、晶体结构以及比表面积 等进行分析，并测试了其光催化性能。
结果表明，当HN03浓度为2 M时，制得g-C3N4纳米片（CN-N-2)的比表面 积最大，可达161.2 cmVmg;且其光催化性能最佳。
这是因为酸化法处理后制得的纳米片比表面积增大，表面活性位点增多。
关键词:g-C3 N4;酸化法;光催化;比表面积中图分类号:0643 文献标识码:A 文章编号:1000-985X (2018) 04-0703-06 Preparation and Photocatalytic Activity of g-C3N4 Nanosheets by Acidification YANG Xue-feng'，2 , MA Tao'，2 , SHEN Qian-qian2,3, XUE Jin-bo2,3, JIA Hu-sheng'，2(1. College of Materials Science and Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China；2. Key Laboratoryof Interface Science and Engineering in Advanced Materials (Taiyuan University of Technology) , Ministry of Education, Taiyuan 030024, China；3. Research Centre of Advanced Materials Science and Technology, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China)Abstract ：g-C3N4 nanosheets were prepared by ultrasonication assisted nitric acid exfoliation method from bulk g-C3N4(b-C N) , which was prepared by thermal polymerization of melamine. The obtained products were characterized by SEM, TEM, XRD and solution adsorption method. And the photocatalytic performance of samples was investigated. The results exhibit that when the concentration of HN03was 2 M, the g-C3N4 nanosheets (CN-N-2) had a special surface area of 161. 2 cm2/m g, and show the best photocatalytic activity. The enhanced photocatalytic performance is attributed to the increased active sites of the nanosheets owing to the increased specific surface area after acid treatment.Key words：g-C3N4 ；nitric acid；photocatalysis；surface area1引言半导体光催化技术，由于可以将太阳能转化为电能、化学能，还可以利用太阳能来降解环境污染物，因此，在治理环境以及解决能源危机方面拥有广阔的应用前景[1_3]。
近年来，元素组成仅为C和N的无机非金 属半导体光催化剂--类石墨相氮化碳(g-C3N4)因其制备过程简单、化学稳定性及热稳定性较高、禁带宽度较 窄=2.70eV)等优点而受到广泛的关注[4_6]。
但是，由传统热聚合法制备得到的g-C3N4仍面临着比表面基金项目：国家自然科学基金(51402209);山西省基础研究项目（2015021075，201601D102020,201603D121017);山西省科技攻关计划项 目（2014032101241);山西省高校科技创新研究项目（2016124);太原理工大学校基金(2015MS046)作者简介:杨薛峰（1991-)，男，山西省人，硕士研究生。
通讯作者:贾虎生，教授。
704人工晶体学报第47卷积小、在可见光区域的响应范围窄以及光生电子-空穴分离效率低等问题[7_8]。
这些问题在一定程度上制约 了g-C3N4的应用[9]。
目前，许多科研者通过对g-C3N4进行改性来提高其光催化活性，主要包括三个方面: (1)提高其比表面积[1°] ;(2)通过掺杂等方法来缩小g-C3N4的带隙宽度，拓宽其在可见光区域的响应范 围[11] ;(3)通过贵金属沉积以及与其他半导体复合形成异质结构来提高光生电子-空穴的分离效率[12_13]。
g-C3N4是一种层状化合物，层与层之间通过靠范德华力相连接，可以通过破坏氢键制备二维纳米片结 构。
制备得到的纳米片拥有更大的比表面积，可以提供更多的活性位点;另外，纳米片厚度的减小缩短了载 流子迁移到表面的距离，提高了光生载流子的分离效率。
目前，大量的研究表明通过热氧化剥离[14]、超声剥 离[15]、浓酸剥离[16]等方法可以实现块体g-C3N4剥离为g-C3N4纳米片，但是关于低浓度酸剥离对光催化性 能影响的研究报道较少。
基于上述考虑，本文通过热聚合三聚氰胺制备得到块体b-CN，采用酸化法超声剥离b-CN，得到g-C3N4纳米片，并研究低浓度酸剥离对样品光催化性能的影响。
并分析了酸化法超声剥离制备CN-N-X的机理。
2实验2.1催化剂的制备b-CN的制备:取3 g三聚氰胺置于坩埚中，放入高温管式炉内进行高温缩聚反应，温度为550 T，升温速 率为4 T/min，保温时间为2 h。
将处理后的三聚氰胺经过研磨后，过300目筛网得到块状g-C3N4，记为b-CN。
CN-N-X的制备:向50 mL浓度分别为0 M、1M、2 M、3 M、5 M的HN03溶液中分别加入50 mgb-CN粉 末，超声处理1〇 h。
将上述混合液在8000 i/min离心，然后用去离子水反复清洗达到中性，彻底去除硝酸。
然后通过干燥得到g-C3N4纳米片。
样品标记按照酸处理的浓度命名为CN-N-X，其中X表示硝酸浓度。
2.2测试与分析采用扫描电子显微镜（FESEM，JSM-6700F)和透射电子显微镜（TEM，JEOL JEM-2010)对形貌和结构进 行表征;采用傅里叶红外光谱仪（FTIR，NICOLET AVATAR330)对官能团进行分析;采用X射线衍射仪 (XRD，DX-2700X)对晶体结构进行分析;采用溶液吸附法测试比表面积；用荧光分光光度计（PL，RF-5301PC Spectro)对荧光强度进行分析，激发波长为350 nm;用UV-3600紫外/可见光分光光度计(Lambda750S Perkin-Elmer)对均勻涂于FTO玻璃上（30 m m X 10 m m X 1.5 mm)样品的光吸收性能进行分 析。
2.3光催化性能测试样品的光催化性能是通过研究可见光照射下对亚甲基蓝溶液的降解情况进行评价。
具体操作步骤如 下:10 mg的样品添加到50 mL 15 X 10 _3m g/L亚甲基蓝溶液中，在暗环境下搅拌1h使其达到吸脱附平衡。
然后将混合液置于300 W氙灯下，并用420 nm滤光片滤掉紫外光，每间隔20 min取出3 mL反应混合溶液，用0. 22 pm的水性过滤头除去混合液中的催化剂。
然后，使用UV-3600分光光度计测出在664 nm处的吸 光度。
3结果与讨论3.1形貌分析图l a〜f为b-CN和CN-N-X的SEM照片。
从图1可以发现，b-CN是由许多片状相互堆叠而成的类石 墨层状结构。
与b-CN相比，CN-N-X(图l b〜f)尺寸变小，结构更加疏松。
此外，在纳米片表面出现明显的 刻蚀条纹，这是由于硝酸强氧化刻蚀能力所致。
并且，随着硝酸浓度的增加，在CN-N-3(图le)及CN-N-5 (图If)表面出现了明显的颗粒团聚现象。
图l g〜h分别为b-CN和CN-N-2的TEM图。
从TEM图可以看出，b-C N的片层较厚，层与层之间紧密 堆叠，而CN-N-2的片层较薄，呈现纳米片结构，这证明酸化法超声剥离能够将b-CN剥离成纳米片薄层结第4期杨薛峰等:酸化法制备g -C 3N 4纳米片及其光催化性能研究705CN-N-5C'N-N-3....W No.....4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 Wavenumbers/cm''1图 2 b-CN 和 CN-N-X 的 FTIR 图Fig. 2 FTIR spectra of b-GN and GN-N-XJO2030 4020/(°)5060图 3 b-CN 和 CN-N-X 的 XRD 图 Fig. 3 XRD patterns of b-GN and GN-N-X3.3物相分析图3为b -CN 和CN -N -X 的XRD 图。
可以发现，出现在13.1°的衍射峰对应于g -C 3N 4的（100)晶面[15]， 出现在27. 6°衍射峰对应于(002)晶面[16]。
与b -CN 相比，CN -N -X 的（100)峰和（002)峰都明显减弱，这是 由于在硝酸超声处理的过程中b -CN 被剥离，芳香环系统的平面周期性被破坏，从而形成较薄的纳米片结 构。
