石墨相氮化碳在光催化杀菌领域中的应用研究

28较高的要求将其安装在恒温实验室。

（6）纳氏试剂分光光度法适用范围少（生活饮用水和水源水），而气相分子吸收光谱法适用范围较宽广（地表水、地下水、海水、饮用水、生活污水及工业污水）。

【参考文献】[1] 国家环保局总局．水质、氨氮的测定、气相分子吸收光谱法（HJ/T 195-2005），2005年11月.[2] 中华人民共和国卫生部、中国国家标准化管理委员会.生活饮用水卫生标准、生活饮用水标准检验方法、无机非金属指标 氨氮、纳氏试剂分光光度法（GB/T5750.5-2006），2006年12月.1 引言随着社会的发展与进步，能源大量消耗和环境日益变差已成为了危害人类健康生活的两大难题。

阻止环境恶化和开发可再生的清洁能源对人民生活以及社会发展具有重大意义。

1972年F u j i s h i m a 课题组发现在紫外光照射下，T i O 2可以分解水制H 2，从此开启了半导体光催化领域的新纪元[1]。

此后，科研工作者们对于它极其的化学稳定性和低廉的价格给予了极大的关注[2]。

尽管T i O 2等在光催化领域有一些成就，但因其只能吸收紫外光，而无法利用可见光[3]。

金属及非金属参杂、贵重金属沉积、染料敏化、形成异质结,以及开发新型光催化等都是用来修饰T i O 2以提高光催化性能的方法，但仍达不到人们的预期成果。

最近报道的石墨氮化碳(g -C 3N 4)材料成为了热点光催化材料。

与T i O 2相比，g -C 3N 4具有合适的带宽（2.7e V），能吸收可见光、制备简单、物理化学性质稳定等特点。

g -C 3N 4已经在光解水制H 2、还原C O 2、催化N O 分解、降解有机污染物中的催化剂等方面表现出了极大潜力。

2 光解水制氢在可见光的作用下，通过水解反应是生产氢能的一个最佳途径。

g-C 3N 4由于其合适的带隙宽度（2.7eV），相应的光谱波长（460n m），独特的结构以及电子特性，使其具备异相光催化剂的所有先决条件。

《石墨相氮化碳光催化材料的结构调控及光解水性能研究》篇一一、引言随着环境问题日益严峻，寻找清洁、可再生的能源成为了科学研究的热点。

其中，光催化技术以其独特的优势在太阳能的利用与转换方面受到了广泛关注。

石墨相氮化碳（g-C3N4）作为一种新型的光催化材料，因其良好的化学稳定性、热稳定性以及可见光响应性等特性，被广泛用于光解水制氢、有机污染物降解等领域。

然而，其光生载流子的复合率高、量子效率低等问题限制了其实际应用。

因此，对石墨相氮化碳光催化材料的结构调控及光解水性能的研究具有重要的理论意义和实际应用价值。

二、石墨相氮化碳的结构与性质石墨相氮化碳（g-C3N4）是一种由碳和氮元素组成的二维层状材料，具有独特的电子结构和化学性质。

其结构主要由碳氮六元环组成，层内原子以共价键相连，层间通过范德华力相互作用。

这种结构使得g-C3N4具有良好的化学稳定性和热稳定性，同时具有可见光响应性。

三、结构调控方法为了改善石墨相氮化碳的光催化性能，研究者们采用了多种结构调控方法。

主要包括元素掺杂、缺陷工程、形貌调控和复合其他半导体等。

1. 元素掺杂：通过引入其他元素（如硫、磷等）来调控g-C3N4的电子结构和光学性质，从而提高其光催化性能。

2. 缺陷工程：通过控制合成过程中的条件，如温度、压力、气氛等，引入缺陷（如氮空位、碳空位等），改变g-C3N4的电子传输性质。

3. 形貌调控：通过改变合成方法（如溶剂热法、高温固相法等），制备出具有不同形貌（如纳米片、纳米球、纳米管等）的g-C3N4，以优化其光吸收和光生载流子的传输。

4. 复合其他半导体：将g-C3N4与其他半导体材料（如TiO2、ZnO等）复合，形成异质结，提高光生载流子的分离效率和利用率。

四、光解水性能研究经过结构调控的g-C3N4光催化材料在光解水制氢方面表现出良好的性能。

研究者们通过实验和理论计算等方法，研究了其光解水机理和性能。

在可见光照射下，g-C3N4能够吸收光能并激发产生光生电子和空穴，这些载流子能够参与水的还原和氧化反应，生成氢气和氧气。

石墨相氮化碳的结构调控及增强光催化性能研究共3篇石墨相氮化碳的结构调控及增强光催化性能研究1石墨相氮化碳的结构调控及增强光催化性能研究摘要：石墨相氮化碳（g-C3N4）是一种新型的光催化剂，具有廉价、环保、稳定性好等诸多优点，因此广泛应用于水处理、气体分解、光催化降解等领域。

但其光催化性能还不够优异，因此需要进行结构调控以增强其光催化性能。

本文从结构调控、增强光催化性能两方面进行解析，探讨石墨相氮化碳的结构调控及增强光催化性能的研究进展。

关键词：石墨相氮化碳；结构调控；光催化性能一、结构调控的方式目前为止，已通过以下几种方式进行石墨相氮化碳结构调控：1. 荧光剂的掺杂荧光剂是有机分子或化合物中能发生荧光的一种物质。

将其掺杂到石墨相氮化碳材料中可以提高其光催化性能。

科研人员通过将荧光染料刚果红、罗丹明B等掺杂到石墨相氮化碳上，发现在可见光下石墨相氮化碳的光催化性能大幅提高。

2. 氮、碳的掺杂石墨相氮化碳在加工过程中一般需要掺杂氮、碳元素，现已通过合成方法实现了氮、碳的不同比例掺杂，从而改变石墨相氮化碳的结构，并获得多个不同形态的石墨相氮化碳材料。

同时通过控制掺杂比例，可以获得表面氮和体态氮两种氮掺杂模式，从而影响石墨相氮化碳的光催化性能。

3. 表面改性在石墨相氮化碳的表面进行改性也可以改变其催化性质。

例如，表面引入空穴或羟基，使石墨相氮化碳材料表面出现更多的活性官能团，提高其光催化性能。

二、增强光催化性能的方式1. 光响应范围拓宽石墨相氮化碳主要在可见光区域具有较好的光催化性能。

为了拓宽其光响应范围，应用石墨相氮化碳与其他光催化材料复合，以形成多元复合材料。

复合后，其吸收特性相互补充，不仅能吸收可见光区域的光线，还可吸收可见光以下的紫外光线，因此光催化活性大幅提高。

2. 反应机理探究深入探究石墨相氮化碳在催化反应中的机理，对其结构调控具有指导意义。

现已有学者研究表明，石墨相氮化碳的光催化作用主要是由传统的表面光化学反应和彩虹反应两种机理组合产生的。

石墨相氮化碳的改性及其光催化制氢性能的研究共3篇石墨相氮化碳的改性及其光催化制氢性能的研究1随着能源危机的加剧和环境污染的严峻，绿色低碳能源成为当前各国共同的发展方向。

氢气作为一种清洁、环保的燃料，被广泛地应用于生产和生活中。

目前，石墨相氮化碳因具有良好的光催化性能和可控制备的特点，已成为制氢的研究热点。

石墨相氮化碳具有较低的能隙和良好的光催化性能，可使用可视光进行催化反应。

然而，由于其特殊的材料结构，如缺陷、孔道等，使得其催化活性局限于表面，从而限制了其在光催化制氢方面的应用。

因此，我们需要改性石墨相氮化碳，提高其活性表面积，增强其光催化制氢性能。

利用化学方法或物理方法改变石墨相氮化碳的结构和组分，可以提高其光催化活性和稳定性。

其中，掺杂、离子交换和微波辅助等技术在石墨相氮化碳的改性中得到了广泛应用。

例如，将掺杂不同的金属物质和接枝不同的有机分子到石墨相氮化碳的结构中，可以提高其表面活性位点的数目，增强其光吸收能力和转移电子的速率，提高其光催化制氢活性。

另外，石墨相氮化碳被广泛地应用于光解水制氢。

在该过程中，石墨相氮化碳作为光催化剂，在光照的条件下吸收能量，将水分子分解为氢气和氧气。

然而，由于石墨相氮化碳的光催化作用独特而复杂，因此需要对其光学性质、结构特征和反应机制进行深入的研究。

近年来，人们不断研究石墨相氮化碳的光催化制氢性能，并从材料、结构和功能三个方面进行了深入研究，取得了一系列显著的研究成果。

在材料方面，通过改变其表面形貌和化学组分，可以提高其光催化制氢性能，如利用不同的前体物制备不同形貌的石墨相氮化碳；在结构方面，通过改变其孔径大小、构建异质结构等方式来调节其催化性能，如采用Fe2O3包覆石墨相氮化碳来增强其催化活性；在功能方面，通过对其表面进行修饰或掺杂过渡金属或其他元素，可以改善其光催化活性和稳定性，在增强光催化制氢性能方面具有重要作用。

总之，石墨相氮化碳作为一种新型的光催化剂，具有广阔的应用前景。

《石墨相氮化碳光催化材料的结构调控及光解水性能研究》篇一一、引言随着全球能源需求的增长和环境污染的加剧，寻找高效、环保、可持续的能源转换和存储技术已成为科研领域的重要课题。

其中，光催化技术因其能够利用太阳能进行水的分解产生氢气等清洁能源，具有巨大的应用潜力。

石墨相氮化碳（g-C3N4）作为一种新型的光催化材料，因其独特的结构和良好的化学稳定性，在光催化领域受到了广泛关注。

本文旨在研究石墨相氮化碳光催化材料的结构调控及其光解水性能，为光催化技术的发展提供理论支持和实践指导。

二、石墨相氮化碳的结构特性石墨相氮化碳（g-C3N4）是一种具有类石墨层状结构的二维材料，其结构由C-N共价键构成。

这种材料具有优良的化学稳定性、热稳定性和机械强度，且其带隙适中，适合于可见光区的光吸收。

此外，g-C3N4表面含有丰富的氨基和氮缺陷等活性位点，有利于光生电子和空穴的转移和分离。

三、结构调控方法为了优化g-C3N4的光催化性能，需要对材料进行结构调控。

常见的调控方法包括元素掺杂、形貌控制、缺陷引入等。

1. 元素掺杂：通过引入其他元素（如硫、磷等）来调节g-C3N4的电子结构和光学性质。

例如，硫掺杂可以扩大g-C3N4的光响应范围，提高光生电子和空穴的分离效率。

2. 形貌控制：通过控制g-C3N4的形貌（如纳米片、纳米球等）来优化其光催化性能。

例如，纳米片结构的g-C3N4具有更大的比表面积和更多的活性位点，有利于光催化反应的进行。

3. 缺陷引入：通过引入缺陷（如氮空位等）来调节g-C3N4的电子结构和光学性质。

缺陷可以作为光生电子和空穴的捕获中心，提高光生载流子的分离效率。

四、光解水性能研究经过结构调控的g-C3N4光催化材料具有优异的光解水性能。

在可见光照射下，材料能够吸收光能并产生光生电子和空穴。

这些光生电子和空穴具有强还原性和氧化性，能够分解水分子产生氢气和氧气。

此外，经过结构调控的g-C3N4还具有较高的光生电子和空穴的分离效率，从而提高了光解水的效率。

改性石墨相氮化碳的制备与光催化性能探究摘要：本文探究了改性石墨相氮化碳的制备与光催化性能。

起首通过改变含铁酸盐的前驱体比例来合成不同浓度的铁掺杂石墨烯氮化碳材料，然后接受氨基硅油原位水解-缩合的方法在材料表面进行硅改性。

接下来，通过控制溶剂的类型和离子强度，制备了不同形貌的石墨相氮化碳。

最后，将改性后的铁掺杂石墨烯氮化碳材料和不同形貌的石墨相氮化碳进行光催化性能测试。

结果表明，在紫外光照耀下，改性后的铁掺杂石墨烯氮化碳材料表现出更好的光催化活性和稳定性，其表面硅改性有助于增强光吸纳能力，而铁掺杂则增加了活性位点的数量。

此外，当溶剂为甲醇时，制备的石墨相氮化碳表面遮盖了更多的碳球状纳米颗粒，从而有效提高了光催化活性。

关键词：改性石墨相氮化碳，铁掺杂，硅改性，光催化性能，甲醇Abstract:In this paper, the preparation and photocatalyticperformance of modified graphene-like nitrogen-doped carbon materials were studied. Firstly, different concentrations of iron-doped graphene nitrogen carbon materials were synthesized by changing the precursor ratio containing iron salt, and then the silicon modification was carried out on the surface of the material by aminoalkylsiloxane in situ hydrolysis-condensation method. Then, by controlling the type of solvent and ionic strength, different morphologies of graphene-like nitrogen-doped carbon were prepared. Finally, the modified iron-doped graphene nitrogen carbon materials and graphene-like nitrogen-doped carbon with different morphologies were tested for photocatalytic performance.The results showed that under UV irradiation, the modified iron-doped graphene nitrogen carbon material showed better photocatalytic activity and stability. The surface silicon modification enhanced the light absorption capacity and the iron doping increased the number of active sites. In addition, when the solvent was methanol, more carbon spherical nanoparticles were covered on the surface of the prepared graphite-like nitrogen-doped carbon, which effectively improved the photocatalytic activity.Keywords: modified graphene-like nitrogen-doped carbon,iron doping, silicon modification, photocatalytic performance, methanol。

石墨相氮化碳的液相合成及光催化性能研究进展赵艺蒙;李明;王浩;杨传锋;崔言娟【摘要】Graphitic carbon nitride is a layered material with similar to grapheme.It has become the research hotspot in the field of functional materials,for the unique energy band and electron structures. Based on the limitations of polymer materials,more and more methods have been used to optimize and modify the structure of carbon nitride.Liquid phase synthesis method with mild and changeable proper-ties is an important way to obtained graphitic carbon nitride.A major synthetic method of carbon nitride in liquid phase medium is summarized,including liquid phase electrodeposition,pulse laser ablation, and solvothermal,et al.The effects of different liquid medium and synthetic parameters on crystalline and morphology of the prepared carbon nitride was introduced.In addition,the research progress in the field of photocatalysis of carbon nitride prepared from solvothermal method was summarized.In future, the structure optimization of carbon nitride materials would be greatly enriched by liquid phase synthe-sis method to promote the in-depth research of multi-functional polymer materials.%石墨相氮化碳是类石墨层状聚合物材料,因其特殊的能带和电子结构,近年来成为功能材料研究领域的热点.液相合成法具有温和多变的特性,是石墨相氮化碳合成的重要途径.本文作者就现阶段液相介质合成氮化碳的主要方法进行了介绍,主要包括液相电沉积、脉冲激光烧蚀、溶剂热合成法等.介绍了不同液相介质和合成参数对制备氮化碳材料晶型、形貌等的影响.同时就溶剂热合成氮化碳在光催化领域的研究进展进行了总结.在未来的研究中,液相合成法将极大的丰富氮化碳材料结构优化的途径,有助于推动多功能聚合物材料的深入研究.【期刊名称】《化学研究》【年(卷),期】2018(029)001【总页数】7页(P104-110)【关键词】氮化碳;液相介质;形貌;光催化【作者】赵艺蒙;李明;王浩;杨传锋;崔言娟【作者单位】江苏科技大学环境与化学工程学院,江苏镇江212003;江苏科技大学环境与化学工程学院,江苏镇江212003;江苏科技大学环境与化学工程学院,江苏镇江212003;江苏科技大学环境与化学工程学院,江苏镇江212003;江苏科技大学环境与化学工程学院,江苏镇江212003【正文语种】中文【中图分类】O649氮化碳是一种古老的无机物材料，其研究历史可追溯至1834年，BERZELIUS和LIEBIG[1]成功制备出melon(C6N9H3)化合物. 1922年，FRANKLIN首次提出了石墨相氮化碳的概念，预测可以通过热解melon化合物制备[2]. TETER和HEMLEY[3]对其进行了理论计算，提出五种同素异形体结构，其中由于石墨相在常温常压下最稳定，制备过程最易实现，成为科研人员研究的重点，多年来对g-C3N4的合成和结构进行了大量的探索. 2009年，王心晨课题组[4]首次将g-C3N4作为光催化剂进行了报道，并成功利用其光解水制取氢气和氧气. 这一突破性发现将这一古老的人工半导体材料重新唤醒，以g-C3N4为基础的光催化材料研究及应用得到迅速发展，在光电转化、去除环境污染物、CO2还原、光解水制氢等领域表现出优异的催化性能(图1).图1 g-C3N4的两种分子结构：三嗪环单元和七嗪环单元Fig.1 Chemical structures for g-C3N4: triazine and tri-s-triazine units近年来，诸多研究及计算性论文以及综述类文章对g-C3N4的合成方法、优化改性及其在催化/光催化领域的应用等方面进行了大量报道[5]. 纵观氮化碳的合成历史，采用液相介质合成氮化碳也是一种常用的方法. 在液相介质中合成氮化碳明显降低了合成温度，同时利用亚临界/临届状态下溶剂效应，可以制备出具有不同粒子形貌以及不同晶型的氮化碳材料. 另外，在温和的液相介质中，可以采用有机化学的合成方法，从分子水平上对氮化碳的合成进行调控，有望解决聚合物分子结构控制合成的难题. 近年来，采用液相合成法制备g-C3N4材料并应用至光催化研究领域的报道开始涌现. 这将大大的扩展聚合物半导体材料的合成及应用研究. 本文作者介绍了近年来在液相介质中制备氮化碳的研究方法，总结和比较了不同合成方法制备氮化碳材料的结构特征以及其在催化/光催化等方面的应用，以期推动聚合物类半导体材料的深入研究及应用.1 石墨相氮化碳简介理论与实验研究证明，g-C3N4是由三聚三嗪环单元组成的聚合物材料，具有类石墨的层状堆积结构，这种稳定的二维共轭结构有利于面内电子的分散及传输. 其禁带宽度约为2.7 eV，具有可见光吸收能力，是一种典型的可见光响应半导体材料. 导带和价带位置分别位于-1.3和1.4 eV vs NHE，因此从热力学上其光生电子和空穴具有相当的催化还原/氧化能力. 近年来，g-C3N4在能源转化、传感、有机合成等领域表现出优异的性能，具有较大的应用前景.尽管g-C3N4具有无毒、稳定、无污染等诸多优点，但由于聚合物材料本身较高的激子结合能，g-C3N4本身具有电子传输性差，量子效率低的不足. 因此，诸多的研究报道致力于对g-C3N4进行结构优化和改性，包括介孔化改性、表面修饰、掺杂、半导体复合等. 这些方法在不同程度上了优化了g-C3N4的结构并提高了光催化性能. 但同时也发现，这些改性方法针对g-C3N4仍具有很大的局限性. WANG 等[6]将有机分子共聚合入g-C3N4的骨架结构，分子水平上实现了π共轭结构连续可调，产氢效率提高了5倍. 所以，从分子构成上对g-C3N4进行结构优化，同时采用软模板法实现形貌控制，对g-C3N4高效性能的研究具有重要意义.2 液相介质合成氮化碳目前制备氮化碳的方法有很多，包括热聚合法、机械球磨法等. 其中，热聚合法和固相反应法是目前合成氮化碳最普遍采用的方法. 热聚合法具有简单易操作的优点，但需要在高温条件下实现(>500 ℃)，分子结构的设计和优化存在困难，合成产物通常存在大量缺陷，在结构和性能调控方面还存在一些限制. 因此，低温液相合成是氮化碳制备和改性的另一重要途径.2.1 液相电沉积法液相电沉积法由于其设备简单、操作容易等优点被应用于氮化碳薄膜的制备中. 例如，WANG等[7]以纯的含氮液体N,N-二甲基甲酰胺和丙烯腈分别作为电解液进行电沉积实验，在硅基板上分别得到α-C:H:O薄膜和氢化的非晶氮化碳α-CNx:H 薄膜，其N/C物质的量之比为0.25. 近几年液相电沉积法也应用于制备g-C3N4. CAO课题组[8]最先在Si(100)基板上，以物质的量之比为1∶1.5的C3N3Cl3和C3H6N6的饱和乙腈溶液电解沉积得到g-C3N4薄膜. 研究发现，反应体系中前驱物的物质的量之比对产物化学组成、化学键态以及结构有影响，调整前驱物的比例可以得到较高结晶度的g-C3N4 [9-10]. 另外，将液相电沉积法和模板法相结合，以SiO2纳米球修饰ITO电极，可以制备出空心球状g-C3N4[11].2.2 液相脉冲激光烧蚀法液相脉冲激光烧蚀法作为一种制备纳米材料的新型方法，已广泛应用于各种纳米材料的制备. YANG等[12-15]将石墨靶浸渍在氨水中，采用液相脉冲激光烧蚀法制备出了一系列具有不同形貌的α-C3N4和β-C3N4晶体(图2). 采用此方法自组装制备多样化氮化碳晶体的过程可以总结如下：(1)通过定向聚集使得较小的0D 纳米颗粒形成1D 纳米棒或纳米带；(2)1D纳米结构组装转化成2D碳氮化合物纳米片或3D纳米花状结构.图2 液相脉冲激光烧蚀法制备的多种氮化碳SEM图片Fig.2 SEM images of various carbon nitrides prepared from liquid pulsed laser ablation method[15]2.3 回流加热法以有机溶剂为反应介质，采用液相加热回流的方法是有机合成最常用的方法之一. 无模板存在下，ZIMMERMAN等[16]以氮化锂(Li3N)和三聚氰氯(C3N3Cl3)为原料，二甘醇二甲醚为溶剂，氮气气氛中回流加热8～48 h，得到g-C3N4空心球. 在较低温度下(0～120 ℃)，二甲基甲酰胺(DMF)为反应介质，常压回流聚合热处理，同样可以得到三嗪堆积单元形成的g-C3N4材料[17]. 储气实验表明. 尽管其比表面积并不高(10 m2/g)，但此富氮化合物具有较高的储氢容量，在室温下(< 100 bar)可达到0.34%质量比，这在新型储能材料的研究中具有重要意义.乙二胺((CH2NH2)2)和四氯化碳(CCl4)是合成氮化碳的常用氮源和碳源. 选用一定模板可以制备具有不同形貌的氮化碳材料. LU等[18]以多孔阳极Al2O3膜为模板制备出外径为100 nm，壁厚为10 nm的g-C3N4纳米管，并以此为催化剂实现了甲醇电解氧化. 此外，此方法制备的g-C3N4纳米管可以作为催化剂载体，在负载Pt之后可以实现环己烯的氢化[19]. SiO2基硬模板是最常用的模板材料，以不同的Si基分子筛为模板可以制备得出具有不同2D/3D孔结构的氮化碳材料[20-21]. 例如，VINU等[22]以SBA-15为模板制备得到二维六边形有序排列的富C介孔氮化碳(图3). 通过调整(CH2NH2)2和CCl4的质量比，可以合成出高N含量的有序介孔氮化碳[23]. 此外，氰胺类有机化合物也是常用的氮源前驱体. 以二聚氰胺/三聚氰胺和 CCl4为前驱物，不同孔径和尺寸的硅基材料为模板，可调控制备出不同尺寸和形貌的多孔氮化碳产物[24-25].图3 以SBA-15为模板制备的2D六边形有序介孔氮化碳TEM 图片Fig.3 TEM images of 2D hexagonal ordered mesoporous carbon nitride preparedwith using SBA-15 as templates2.4 溶剂热法溶剂热法可以定义为在封闭系统里极性或非极性溶剂中发生的化学反应，反应温度高于溶剂沸点[26]. 与水热法相比，非水溶剂种类多，具有高反应活性，通过控制反应参数(温度、溶剂、时间等)可以有效调控产物分子结构和粒子形貌. 溶剂热法制备氮化碳是此类聚合物材料合成的重要途径，较低的温度下进行聚合反应可以充分防止氮的流失，得到富氮产物. 同时，温和的反应条件有利于得到低缺陷、高晶度的晶体材料.以CCl4和极性含氮溶剂分别为碳源和氮源，高温高压溶剂热条件下(300～500 ℃)可制备石墨相氮化碳材料[27-28]. 非极性有机溶剂(苯、环乙烷、四氯化碳等)通常与溶质分子间作用力较弱，依靠范德华力发生溶剂化效应. 以此类溶剂为反应介质，溶剂热方法可以制备得到不同晶型的氮化碳产物[29]. 其中，苯由于其稳定的共轭结构，是溶剂热合成的优良溶剂. 富含高反应活性-Cl基团的三嗪环化合物C3N3Cl3为溶剂热合成氮化碳最常用的反应前驱物之一. 国内外研究报道表明，通过调控苯热法反应参数(温度、时间、压力等)可以制备出α,β-C3N4 纳米晶[30-33]. 以NaNH2或NaN3为N源，苯热条件下(220 ℃)可以得到g-C3N4纳米颗粒和纳米管，具有显著的光致荧光特性(图4)[34-36]. 除苯之外，以环己烷或四氯化碳(CCl4)为有机溶剂，利用溶剂分子的溶剂化作用作为控制模板剂，可以得到不同形貌的氮化碳材料，如g-C3N4纳米带、纳米管、纳米微球等[37-40]. 在非水溶剂中大多数为极性有机溶剂，因其独特的分子特性，如还原性、分子螯合等，在纳米材料合成领域被广泛使用[41-42]. 总结氮化碳材料合成史，除(CH2NH2)2外，极性有机溶剂肼(NH2NH2)、三乙胺(Et3N)、DMF等均可以被用作有机反应介质，在不同的温度范围内，溶剂热合成不同结构的g-C3N4[43-45]. 表1中为典型的溶剂热法制备g-C3N4的方法及产物.图4 苯热法制备的两端封闭的g-C3N4纳米管SEM图片Fig.4 SEM images of both ends closed g-C3N4 nanotubes prepared from benzene thermal methods表1 典型的溶剂热合成g-C3N4方法及产物Table 1 Typical methods and products of g-C3N4 synthesized form solvothermal methods作者原料溶剂反应条件产物参考文献MONTIGAUD等C3H6N6+C3N3Cl3二异丙基乙胺140MPa,250℃g-C3N4[44]LI等C3H6N6+C3N3Cl3苯自生压力,400℃g-C3N4空心球[29]LI等C3H6N6+C2H4N4CCl44.5～5MPa,290℃g-C3N4纳米带/管[39]MONTIGAUD等C3H6N6NH2NH23Gpa,800～850℃g-C3N3.36O0.14H1.24[43]DEMAZEAUGC3H6N6+C3N3Cl3Et3N130MPa,250℃g-C3N4[46]MONTIGAUD等C3H6N6+C3N3Cl3Et3N140MPa,250℃g-C3N4[47]LV等C3N3Cl3+Li3N苯5～6MPa,355℃α-C3N4/β-C3N4[32]MU等C3N3Cl3+Na环己烷自生压力,250℃g-C3N4球形粒子[48]CAO等C3N3Cl3+Na环己烷1.8MPa,230℃CN纳米管[37]ZHANG等C3N3Cl3+NaN3CCl4180℃g-C3N4[49]3 溶剂热合成氮化碳光催化剂非金属2D聚合物半导体g-C3N4作为一类全新的光催化材料，因其独特的能带结构特点及化学稳定性，近年来在光催化研究领域成为明星材料. 随着优化改性方法的不断增加，高温煅烧热聚合制备g-C3N4的一些不足逐渐显现. 因此，溶液相合成法对g-C3N4制备及优化途径的拓展显得尤为重要. 经过近几年的发展，溶剂热法合成具有光催化性能的g-C3N4的研究报道开始陆续被报道. 2012年，作者课题组[50]首次以乙腈为溶剂，在较低温度下(180 ℃)溶剂热合成出g-C3N4纳米棒. 产物由三嗪/七嗪单元共轭组成，具有宽的可见光吸收光谱(> 600 nm). 在可见光照射下，能够有效分解有机污染物，同时能够光解水制取氢气. 这一报道打破了溶剂热低温合成g-C3N4材料不具备光催化活性的界限，为低维非金属聚合物光催化材料的合成提供了新的思路. 在此基础上，本研究小组改变前驱物，在120～180 ℃下首次无模板一步法制得g-C3N4空心球，并用于光催化降解有机染料(图5)[51]. 通过简单的反应参数调控，杂原子修饰g-C3N4空心球可以通过此溶剂热方法得到. 非密闭前驱物处理过程使得O2分子容易混合入反应体系，在亚临届溶剂热反应过程中，O2分子发生活化. 通过简单的调控反应时间，可以将活化O元素掺杂入g-C3N4分子骨架. 测试结果表明，O元素的掺杂能够有效扩展可见光吸收范围，同时杂原子的参与引起电子分布不均匀，促进光生电荷的分离. 在可见光照下，改O掺杂g-C3N4材料在中性条件下能够快速去除水中重金属Cr(VI)，而且具有优异的光解水制氢活性[52].图5 (a)O掺杂g-C3N4空心球的TEM图片，(b)光吸收光谱图，(c)光催化还原Cr(VI)活性曲线Fig.5 (a) TEM images of O-doped g-C3N4 hollow spheres, (b) Optical absorption spectra, (c) Curves of photocatalytic activity for Cr(VI) reduction4 结语与展望g-C3N4作为一类特殊的富氮碳基化合物，因其特殊的半导体特性，在催化、光催化、传感等功能材料研究领域具有广泛的研究价值. 固相煅烧热聚合法虽然是目前普遍应用的g-C3N4合成法，因其较高的合成温度，对g-C3N4分子调控具有不易操作性，因此，发展低温液相合成法是实现g-C3N4分子设计和优化合成的重要途径. 在此基础上，将极大的拓展改性g-C3N4的合成及研究内容.今后，液相合成g-C3N4的研究工作可以从以下几个方面进行：1) 杂原子掺杂修饰g-C3N4的合成. 尽管固相合成法已经成功制备出杂原子修饰材料，但高温条件下所得产物通常杂原子掺杂量较低，轻质杂元素高温下易挥发. 在密闭溶剂热环境中，杂原子能够最大限度的参与反应，掺杂入g-C3N4分子骨架，起到结构调控的作用. 2) 不同方法相结合，比如微波溶剂热法等，扩展溶剂热的合成途径，提高g-C3N4的长程有序聚合度，这对优化聚合物的电荷传输效率具有重要意义.参考文献：[1] LIEBIG J. 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石墨相氮化碳的改性及光催化降解有机污染物的研究石墨相氮化碳（g-C3N4）作为一种新型的光催化材料，在环境污染治理方面备受关注。

然而，纯净的g-C3N4材料在一些特定条件下存在一些不足，导致其应用受到一定限制。

因此，通过对g-C3N4材料进行改性，可以提高其光催化活性，同时还可以拓宽其光催化应用的范围。

一种常见的改性方法是掺杂。

例如，通过掺杂金属离子，可以引入额外的能级，改变g-C3N4的能带结构和电子结构，从而提高光催化性能。

金属离子如铜、铜等的掺杂可以增强g-C3N4材料的可见光吸收能力，提高光催化降解有机污染物的效率。

另外，掺杂非金属元素如硼、硅、磷等也可以改善g-C3N4的光催化活性。

这些非金属掺杂元素能够改变材料的禁带宽度和表面活性位点的数量，从而提高材料的催化性能。

此外，通过复合材料的制备方法可以进一步提高g-C3N4的光催化性能。

与其他催化材料如二氧化钛（TiO2）、锌氧化物（ZnO）等的复合制备能够实现协同效应，提高整体光催化性能。

例如，将g-C3N4与金属氧化物（如Fe2O3、Bi2O3等）复合制备，可以增加活性位点的数量，提高光催化降解有机污染物的效率。

此外，g-C3N4还可以与其他材料如二维材料、纳米粒子等复合，实现掺杂效应，从而进一步提高光催化降解性能。

在光催化降解有机污染物方面，石墨相氮化碳通过捕捉光能并将其转化为活性物种如电子和空穴，从而实现有机污染物的氧化降解。

此外，光催化过程中空穴还可以与水和氧反应生成羟基和羟基自由基，从而进一步促进有机污染物的降解。

其光催化降解性能主要取决于光吸收能力、载流子分离和传输效率以及光生活性物种的产生等方面。

近年来，通过对g-C3N4的改性研究，已取得了一些重要的进展。

然而，现有的研究主要集中在材料的制备和光催化性能的表征上，对于其机理研究和实际应用仍然存在一定的不足。

因此，在未来的研究中，应该进一步探索g-C3N4的光催化机制，开发新的改性方法，提高材料的光催化降解性能。

铁矿增强石墨相氮化碳光催化活化分子氧机制研究铁矿增强石墨相氮化碳光催化活化分子氧机制研究在当今人类社会的发展中，环境污染问题日益突出，因此人们对绿色、高效的能源转化和污染物降解技术的需求也越来越迫切。

光催化技术作为一种环境友好、高效能源转化和污染物降解方法，备受研究和关注。

石墨相氮化碳（g-CN）作为一种新型的二维半导体材料，其在光催化领域也被广泛研究和应用。

然而，由于g-CN的能带结构与其导带和价带之间的带隙较大，限制了其在可见光范围内的吸收和利用率。

为了克服这一问题，以铁矿为模板，将铁矿作为掺杂剂引入g-CN，并进行光催化活化分子氧的研究。

首先，研究者采用溶剂热法制备了铁矿增强g-CN材料。

实验结果显示，铁矿掺杂后，g-CN的光催化活性得到了显著提高。

进一步的研究发现，铁矿掺杂改变了g-CN的能带结构，使得其能够在可见光范围内吸收更多的光子能量。

接着，研究者通过一系列光催化活化分子氧的实验验证了铁矿增强g-CN材料的催化性能。

在可见光照射下，铁矿增强g-CN材料展现出了优异的分子氧活化能力，实现了高效的光催化降解有机污染物。

通过控制实验条件，研究者进一步研究了不同因素对催化活性的影响，如光照时间、催化剂用量等。

结果表明，铁矿增强g-CN材料具有优异的稳定性和可重复利用性。

进一步的研究表明，铁矿增强g-CN材料的催化活性提高是通过多种机制共同作用实现的。

首先，铁矿的引入增强了g-CN的可见光吸收能力，提高了光子利用率。

其次，铁矿与g-CN之间形成了界面相互作用，促进了电荷传输和分离过程。

最后，铁矿引入还导致了g-CN表面的一些缺陷和氧化铁物种的形成，进一步增强了催化活性。

总的来说，本研究通过掺杂铁矿来增强g-CN材料的光催化活性，实现了高效的分子氧活化和有机污染物的降解。

这一研究不仅对于光催化技术的发展具有重要意义，还为解决环境污染问题提供了一种新的途径。

然而，还需要进一步研究来揭示铁矿增强g-CN材料的更多催化机制，并优化其催化性能，以实现更加精确和高效的光催化活化分子氧过程。

《熔融盐法制备石墨相氮化碳的结构调控及其光催化活性研究》篇一摘要：本研究针对熔融盐法制备石墨相氮化碳（g-C3N4）进行了系统的结构调控及其光催化活性的研究。

通过调整制备过程中的关键参数，成功实现了对g-C3N4的微观结构的有效调控，进而提升了其光催化性能。

本文详细阐述了实验设计、制备过程、结构分析以及光催化性能的评估，为石墨相氮化碳的进一步应用提供了理论依据和实验支持。

一、引言石墨相氮化碳（g-C3N4）因其独特的电子结构和化学稳定性，在光催化领域具有广阔的应用前景。

然而，其实际应用效果受到其结构特性的限制。

通过结构调控可以显著提升其光催化活性。

目前，熔融盐法因其简单易操作和可实现大批量生产的特点，在制备g-C3N4中得到了广泛应用。

本研究旨在通过调整熔融盐法制备过程中的关键参数，实现对g-C3N4的结构调控，并研究其光催化活性的变化。

二、实验材料与方法1. 材料准备：选用合适的氮源和碳源作为原料，如三聚氰胺、尿素等；熔融盐则选用常见的盐类如氯化钠、硫酸钠等。

2. 熔融盐法制备：在高温条件下，将原料与熔融盐混合，通过热处理过程使原料发生缩合反应，生成g-C3N4。

3. 结构调控：通过调整热处理温度、时间、原料与盐的比例等参数，实现对g-C3N4的结构调控。

4. 结构与性能分析：利用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）等手段对样品的结构进行表征；通过光催化实验评估其光催化活性。

三、结果与讨论1. 结构表征：通过XRD分析发现，随着热处理温度的升高或时间的延长，g-C3N4的晶型逐渐完善，结晶度提高；SEM和TEM分析表明，适当调整原料与盐的比例可以调控g-C3N4的形貌，使其呈现出更加均匀的纳米片层结构。

2. 光催化活性评估：通过在可见光下降解有机污染物（如甲基橙）的实验，发现经过结构调控的g-C3N4具有更高的光催化活性。

其中，在适当的热处理温度和时间下，以及合适的原料与盐的比例下制备的g-C3N4表现出最佳的光催化效果。

学校代码：10255学号：2131347DONGHUA UNIVERSITY硕士学位论文石墨相氮化碳的制备及其光催化性能的研究Preparation and Photocatalytic Properties of Graphite phaseCarbon Nitride专业:环境工程作者：史振涛导师：许士洪（副教授）完成日期：2015年5月东华大学硕士学位论文答辩委员会成员名单东华大学学位论文原创性声明本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。

所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。

除文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。

论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

学位论文作者签名：日期：年月日东华大学学位论文版权使用授权书学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。

本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

保密□，在年解密后适用本版权书。

本学位论文属于不保密□。

学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月石墨相氮化碳的制备及其光催化性能的研究摘要近年来，半导体光催化技术得到了快速的发展。

聚合物半导体石墨相氮化碳（g-C3N4）因其无毒、催化活性高、氧化能力强、且具有优异的化学稳定性和独特的电子能带结构、不含金属组分等优点而得到广泛研究。

但是由于聚合物的材料特性，将g-C3N4作为光催化剂还存在如比表面积小、光生电子-空穴复合严重、量子效率低和禁带宽度较大而不能有效利用太阳光等严重制约其在能源、环境光催化领域的大规模推广应用的问题。

因此，为了更好的利用太阳光，对g-C3N4进行制备优化及改性以得到较高可见光响应的光催化剂是非常必要的。

高比表面积石墨相氮化碳的制备及其光催化应用研究牛金叶;谢艺;王璐瑶;王谦;张永奎;王雅博【摘要】石墨相氮化碳(g-C3N4)具有较好的物理化学稳定性、合适的能带结构和良好的可见光吸收性能,因而在光催化领域得到了广泛关注.作为异相催化剂,高比表面积可以提供较多的反应位点,增加反应物的接触,改善传质,从而促进催化性能的提升.本文综述了高比表面积g-C3N4的合成方法,介绍了两种增加g-C3N4比表面积的途径:(1)模板法制备多孔g-C3N4;(2)剥离法制备薄层g-C3N4纳米片.本文对高比面积g-C3N4的光催化应用也做了相应的介绍,并对g-C3N4的发展前景做了展望.【期刊名称】《四川大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(055)005【总页数】11页(P1067-1077)【关键词】氮化碳;模板;剥离;高比表面积;光催化【作者】牛金叶;谢艺;王璐瑶;王谦;张永奎;王雅博【作者单位】四川大学化学工程学院,成都610065;四川大学化学工程学院,成都610065;四川大学化学工程学院,成都610065;四川大学化学工程学院,成都610065;四川大学化学工程学院,成都610065;四川大学化学工程学院,成都610065【正文语种】中文【中图分类】O643.31 引言石墨相氮化碳(g-C3N4)是一种具有类石墨烯结构的聚合物半导体, 它具有独特的能带结构, 良好的物理化学稳定性, 不含金属元素, 富含初级和次级胺(-NH2, -NH-).自2009年由Wang等[1]将其引入异相光催化领域后, g-C3N4被广泛研究应用于光催化分解水产氢和产氧、降解环境有机污染物、CO2还原、光催化有机合成、光催化杀菌等领域.g-C3N4的制备较简单, 一般通过高温热聚合廉价前驱体(氰胺、双氰胺、三聚氰胺、尿素、硫脲等)得到, 易于实现规模放大. 但由此方法得到的g-C3N4团聚现象严重, 所制备的样品比表面积较小(～10 m2·g-1). 在异相催化应用中, 催化剂的比表面积是影响催化效率的重要因素, 高比表面积不但可以提供较多的催化反应位点, 而且有利于反应介质与催化剂的接触, 同时促进传质过程, 从而提高催化反应的效率. 因此, 高比表面积g-C3N4的制备对其未来的大规模应用至关重要. 本文从g-C3N4的原料、制备条件、合成后处理等方面综述了高比表面积g-C3N4的制备, 同时对其光催化应用研究进展做简要概述.2 高比表面积g-C3N4的制备固相热聚合制备g-C3N4具有简便、易放大、原料廉价易得等优点, 但是其比表面积受前驱体和热聚合条件的影响. 同时在热聚合过程中, 利用模板剂制备多孔g-C3N4可有效提高其比表面积. 此外, 研究人员尝试采用剥离石墨烯的方法制备了高比表面积的薄层g-C3N4.2.1 前驱体和热聚合条件的影响氰胺是首先被考虑用来作为制备g-C3N4的前驱体, Wang等[1]首先使用氰胺聚合形成g-C3N4并对其过程中间物进行分析, 推论出如图1所示的反应路线. 如图1所示, 在氰胺聚合过程中, 双氰胺、三聚氰胺都是反应中间物, 因此, 理论上, 双氰胺和三聚氰胺也可以作为合成g-C3N4的前驱体, 而后续实验研究也证实了此推论[2,3]. 此后, 研究人员发现, 以尿素、硫脲等作为单一前驱体, 也可以通过热聚合的方法得到但由于不同前驱体中C∶N比例不同, 聚合过程中释放的气体(CO2, NH3, H2O等)量也有明显差异, 因此所得到的g-C3N4的比表面积有较大差异.图1 利用氰胺作为前驱体制备g-C3N4的过程及中间产物[1]Fig.1 Reaction pathway and intermediates for the preparation of g-C3N4using cyanamide as the precursor[1]Wang等[6]在构建Pt/g-C3N4/Dye的光催化分解水系统时, 系统考察了前驱体(氰胺、双氰胺、三聚氰胺、尿素)对制备g-C3N4的影响, 发现以尿素为前驱体制备的g-C3N4具有较好的二维薄层结构, 因而有较高的比表面积(84.2 m2·g-1), 远高于由其它前驱体得到的g-C3N4(13～20 m2·g-1).除了前驱体, 热聚合条件对g-C3N4的比表面积也有较大影响, 提高聚合温度和增加聚合时间可以有效提高g-C3N4的比表面积(表1), 但对g-C3N4的产率和能带结构也会产生重要影响, 进而引起光催化性能的改变. 当温度超过550 ℃时, g-C3N4的热分解会产生部分气体, 同时在氧气存在的条件下会引起g-C3N4的热氧化, 从而导致g-C3N4的结构中出现微孔, 使其比表面积增加, 但同时g-C3N4的产率也会急剧下降.2.2 模板法制备多孔g-C3N4尽管以尿素为前驱体制备的g-C3N4具有相对较高的比表面积(表1), 但g-C3N4的产率仅为5%左右, 远低于氰胺类前驱体制备g-C3N4的产率(40%～50%), 同时, 优化前驱体或热聚合条件对g-C3N4比表面积的提高相对有限, 因此, 研究人员探索了模板法制备多孔g-C3N4的途径.2.2.1 硬模板法(hard-template method) 二氧化硅(SiO2)具有良好的热稳定性、分散性、可控的尺寸和孔道结构, 因此纳米SiO2颗粒和介孔SiO2常被用作硬模板来制备高比表面积的纳米材料. Wang等[10]以 12 nm的SiO2纳米颗粒(Ludox HS40, Aldrich)为模板, 通过控制前驱体(氰胺)与模板(SiO2)的比例, 制备了具有不同比表面积和孔体积的介孔g-C3N4(mpg-C3N4), 在SiO2和氰胺的质量比为1.5时, mpg-C3N4的比表面积可达373 m2·g-1.表1 不同前驱体和热聚合条件下制备g-C3N4的比表面积Tab.1 Specific surface area of g-C3N4prepared from various precursors under different polycondensation conditions前驱体热聚合条件(温度, 时间, 气氛)比表面积(m2·g-1)参考文献氰胺550 ℃, 4 h, air10[1]氰胺20.8[6]双氰胺550 ℃, 4 h,air13.4三聚氰胺22.8尿素84.2三聚氰胺500 ℃, 2 h, air7.1[7]550 ℃, 2 h,air8.6600 ℃, 2 h, air11.7650 ℃, 2 h, air46.8尿素450 ℃, 2 h, air43[8]500 ℃,2 h, air49550 ℃, 2 h, air58600 ℃, 2 h, air77650 ℃, 2 h, air97尿素550 ℃, 0.5 h, air52[9]550 ℃, 0.5 h, air52550 ℃, 1 h, air62550 ℃, 2 h, air75550 ℃, 4 h,air288具有规则孔道的介孔SiO2是另一类较常使用的硬模板. SBA-15、SiO2纳米阵列、KIT-6等均可作为模板材料来制备多孔g-C3N4[11-13]. 通过将液态的前驱体注入模板材料的孔道内, 热聚合形成g-C3N4/SiO2复合物, 再利用HF或NH4HF2除去SiO2, 即可得到高度有序的多孔g-C3N4, 有效提高其比表面积(表2).SiO2材料的形貌多样性也为g-C3N4的制备提供了便利. 例如Sun等[14]首先构建了核壳结构的SiO2微球, 将氰胺溶液注入微球壳层的微孔中, 然后通过NH4HF2刻蚀除去SiO2模板, 得到了壳层厚度可控的中空g-C3N4微球(HCNS), 如图2所示. 中空结构的构建和壳层中的微孔结构有效提高了g-C3N4的比表面积(79 m2·g-1), 同时改善了g-C3N4对可见光的吸收利用, 因此HCNS表现出优异的光催化性能.Kailasam等[15]将氰胺和硅酸乙酯的乙醇溶液混合, 利用硅酸乙酯水解过程中生成的纳米二氧化硅作为硬模板, 结合溶胶-凝胶法和热聚合过程制备了中孔g-C3N4, 通过调节前驱体的配比, 可获得比表面积高达270 m2·g-1的g-C3N4[15]. 利用该方法可制备较大尺寸的多孔g-C3N4膜和整体柱, 对g-C3N4的应用具有重要意义. 图2 中空微球型g-C3N4的制备流程(a)及其透射电镜照片(b-f)[14]Fig.2 The synthetic process of hollow g-C3N4sphere (a) and TEM images (b-f)[14]硅藻土是一类SiO2含量在80%以上的矿物, 具有较为规整的孔道结构. Liu等[16]将氰胺和硅藻土(质量比1∶1)在研钵中混合均匀, 升温过程中氰胺融化并在毛细作用下进入硅藻土的规整孔道中, 高温热聚合反应完成后, 用HF去除硅藻土模板, 即可得到具有纳米棒阵列结构的g-C3N4. 纳米棒阵列有利于光生电荷的传递和光散射, 因此其光催化活性相较于体相g-C3N4有明显提高.除了SiO2, CaCO3颗粒也可以作为硬模板用于多孔g-C3N4的制备. Wang[17]通过改进的两步煅烧热聚合法得到了多孔g-C3N4, 通过改变CaCO3模板的尺寸(300 nm～16 μm)和配比, 可将g-C3N4的比表面积由10.4 m2·g-1提高至16.2～38.6 m2·g-1, 并有效提高g-C3N4的光电流响应. 利用CaCO3作为硬模板的优点在于可以用常规稀酸水溶液(如1 M HCl)替代强腐蚀性的HF或NH4HF2除去硬模板, 从而降低酸处理对g-C3N4结构的破坏. 由于该方法所选择的CaCO3颗粒尺寸较大, 所制备g-C3N4的比表面积提高并不显著, 因此仍有提升的空间.表2 模板法制备g-C3N4的比表面积Tab.2 The specific surface area of g-C3N4prepared by template method模板前驱体热聚合条件(温度, 时间, 气氛)模板去除方法比表面积(m2·g-1)参考文献SiO2 (12 nm)氰胺550 ℃, 4 h, air4 M NH4HF2, 24 h373[10]SBA-15氰胺550 ℃, 4 h, air4 M NH4HF2, 24h239[11]SiO2阵列氰胺550 ℃, 4 h, air10% HF, 24 h230[12]KIT-6氰胺550 ℃, 4 h, N24 M NH4HF2, 24 h208[13]SiO2微球氰胺550 ℃, 4 h, N24 M NH4HF2, 12 h79[14]硅藻土氰胺600 ℃, 4 h, N24 M NH4HF2, 48 h28[16]硅酸乙酯氰胺550 ℃, 4 h, Ar4 M NH4HF2, 40 h270[15]CaCO3双氰胺550 ℃, 2 h, N21 M HCl, 24 h38.6[17]Triton X-100双氰胺550 ℃, 4 h,airN.A.116[18]P123299P123三聚氰胺600 ℃, 4 h, ArN.A.30[19]单质硫三聚氰胺600 ℃, 2 h, ArN.A.46[20]蔗糖三聚氰胺600 ℃, 2 h, AirN.A.128[21]NH4Cl双氰胺550 ℃, 4 h, airN.A.52.9[22]NH4Cl三聚氰胺600 ℃, 2 h, airN.A.195[23] 2.2.2 软模板法(soft-template method) 硬模板法为高比表面积g-C3N4的制备提供了较大空间, 但酸处理除去硬模板是不可避免的步骤, 在此过程中, 腐蚀性强酸(如氢氟酸)对g-C3N4的结构有一定的破坏作用. 为了减少酸处理对多孔g-C3N4的影响, 研究人员尝试将表面活性剂、双亲嵌段共聚物、离子液体等软模板引入g-C3N4的制备. 由于软模板仅含C、H、O、S、N等元素, 这些组分可以在热聚合过程中以气体的形式释放从而避免了后续模板去除的步骤.Wang等[18]尝试了一系列软模板(Triton X-100、P123、F127、Brij 30、Brij 58、Brij 76、1-butyl-3-methylimidazolium dicyanamide、1-butyl-3-methylimidazolium chloride、1-butyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate)制备多孔g-C3N4, 但仅有部分软模板(Triton X-100, 离子液体)可有效提高g-C3N4的比表面积和孔体积. 同时, 软模板的使用也不可避免地会引入C元素, 从而使所制备的g-C3N4中C含量较高. 较高的C含量有可能形成额外的光生电子-空穴复合位点, 从而影响催化效率.Yan等[19]使用三聚氰胺和P123作为前驱体和软模板, 制备了比表面积为30m2·g-1的多孔g-C3N4, 高于未使用模板剂所得到的样品(9 m2·g-1). 由于三聚氰胺与模板剂之间的相互作用较小, P123在热聚合过程中能够有效去除, 因此所制备的g-C3N4中的C含量也得到了有效控制, 并且多孔g-C3N4对可见光的吸收扩展至700 nm, 表现出较高的光催化活性.2.2.3 气泡模板法(gas bubble-template method) 以尿素为前驱体可通过热聚合得到高比表面积的g-C3N4纳米片, 高比表面积形成的原因之一是在热聚合过程中有较多CO2、H2O和NH3等气体释放, 在此过程中, 所产生的气泡可以对紧密堆积的g-C3N4起到一定程度的剥离作用, 使得g-C3N4由多层堆积向薄层转变. 受此思路启发, 研究人员在制备g-C3N4时有意识地引入可以通过热分解释放气体的前驱体, 增加g-C3N4制备过程中产生的气体量以制备高比表面积的g-C3N4. He等[20]在g-C3N4制备过程中引入单质硫, 通过硫挥发过程中形成的气泡介导得到了孔径在50 nm左右的多孔g-C3N4, 如图3所示, 样品的比表面积也由17增大到46 m2·g-1. 由于硫挥发的温度与三聚氰胺热聚合形成g-C3N4的温度较为匹配, 因此单质硫被认为是较好的致孔剂.图3 (a) 单质硫作为气泡模板制备多孔g-C3N4的流程; (b) 多孔g-C3N4的透射电镜照片[20]Fig.3 (a) Schematic illustration for sulfur-bubble templated preparation of porous g-C3N4; (b) TEM image of porousHe等[21]将蔗糖作为致孔剂引入g-C3N4的制备过程, 利用蔗糖分解过程中形成的气体作为气泡模板, 成功将g-C3N4的比表面积由18.6扩增至128 m2·g-1, 同时, C的引入也增强了g-C3N4对可见光的吸收.NH4Cl热分解能够释放大量NH3和HCl, 因此也被引入高比表面积g-C3N4的制备. Lu等[22]将双氰胺和氯化铵在研钵中研磨均匀, 在550 ℃下热聚合4 h, 得到了比表面积为52.9 m2·g-1的薄层二维g-C3N4纳米片, 远大于聚合态的g-C3N4(2.9 m2·g-1). Iqbal等[23]采取同样的思路, 利用三聚氰胺和氯化铵作为反应物质, 600 ℃热聚合2 h得到了比表面积高达195 m2·g-1的多孔g-C3N4, 比表面积的提升有效提高了样品对罗丹明B的光催化降解性能.2.3 薄层g-C3N4的制备g-C3N4具有类石墨烯的结构, 体相聚合态g-C3N4由层状结构堆积而成. 在热聚合制备g-C3N4的过程中, 层与层堆积形成了致密的结构, 引起其比表面积的急剧降低. 如果能够将体相g-C3N4剥离形成单层或少数几层的二维结构, 无疑可以极大提高其比表面积. 同时, 二维纳米片能够改善光生电荷的传递性能进而提高电子和空穴的分离和传递效率, 延长光生电荷的寿命, 从而对光催化性能的提升起到重要作用. 因此, g-C3N4的剥离对其未来的应用是至关重要的步骤, 许多研究人员尝试采用剥离石墨烯的方法对g-C3N4进行剥离. 表3总结了部分体相g-C3N4的剥离方法及所制备薄层g-C3N4的比表面积.2.3.1 热剥离法 Niu等[24]首先利用三聚氰胺制备了体相g-C3N4, 然后在开放体系中不同温度下热处理g-C3N4, 部分样品被空气氧化产生气体, 气体从样品内部扩散到环境的过程起到了剥离体相g-C3N4的作用, 如图4所示. 剥离后的样品厚度仅2～3 nm, 比表面积从50增大至306 m2·g-1. 尽管热剥离在改变样品形貌的同时, 也使g-C3N4的禁带宽度增大了0.2 eV, 但比表面积的增大和光生电荷的在二维平面上的有效传递仍然促进了光催化分解水制氢效率的提高. 热剥离是一种简单有效、易于放大的制备二维g-C3N4纳米片的方法, 但g-C3N4在高温条件下的氧化造成了极大的样品损失(产率6%), 因此也限制了其应用.Dong等[25]利用硫脲作为前驱体制备了g-C3N4, 然后在550 ℃条件下热剥离得到了多孔的g-C3N4纳米片, 将其比表面积从27提高至151 m2·g-1, 样品的孔体积可达0.51 cm3·g-1. 比表面积的提高, 孔体积的增大, 颗粒尺寸的减小有效地延长了光生载流子的寿命, 从而提高了g-C3N4的光催化氧化效率.表3 剥离法制备g-C3N4纳米片的比表面积Tab.3 The specific surface area of thin-layer g-C3N4prepared by exfoliation体相g-C3N4制备剥离条件剥离前比表面积(m2·g-1)剥离后比表面积(m2·g-1)参考文献双氰胺550 ℃, 4 h, air热剥离500 ℃, 2 h, 空气50306[24]硫脲550 ℃, 2 h, air热剥离550 ℃, 2 h, 空气27151[25]商业g-C3N4Carbodeon Ltd (Finland)热剥离400 ℃, 2 h,H227260[26]双氰胺550 ℃, 4 h, air化学剥离98% H2SO4, 搅拌8 h43205.8[27]三聚氰胺550 ℃, 2 h,air化学剥离0.1 M NaOH, 水热处理18 h7.765[28]双氰胺520 ℃, 4 h, air化学剥离g-C3N4/DMF/三聚氰胺, 油浴, 搅拌9.38116.76[29]三聚氰胺550 ℃, 2 h, N2化学剥离g-C3N4/Li/Ammonia/Ar7.7222.5[30]商业g-C3N4Carbodeon Ltd (Finland)超声剥离异丙醇, 10 hN.A.384[31]三聚氰胺600 ℃, 2 h, air超声剥离水, 16 hN.A.N.A.[32]三聚氰胺550 ℃, 4 h, air超声剥离Ethanol/H2O,IPA/H2O,DMF/H2O12.559.4[33]图4 热剥离法制备g-C3N4纳米片[24]Fig.4 Thermal exfoliation for thin layer g-C3N4nanosheet preparation[24]Qiu等[26]在H2氛围下, 400 ℃热处理g-C3N4得到了厚度为2 nm左右的纳米片, 从而有效地将其比表面积从27提升到260 m2·g-1. H2氛围被认为是热处理的关键, g-C3N4层间的氢键和范德华力在热处理过程中被破坏, 同时形成了稳定的C-H键抑制了薄层g-C3N4的重新堆积. 无氧的热处理环境避免了g-C3N4的氧化, 因此用该方法制备二维薄层g-C3N4纳米片的产率也较高.2.3.2 化学剥离法受Hummer’s method剥离石墨烯方法的启发, Xu等[27]利用浓硫酸(98%)作为氧化剂破坏g-C3N4层间的范德华力和C-C\C-N共价键, 从而实现了g-C3N4的化学剥离, 得到了厚度仅为0.4 nm的单层g-C3N4, 提高了其光催化分解水制氢和降解苯酚的效率. 但利用此方法剥离g-C3N4的效率为60%, 还有提高的空间, 并且H2SO4的浓度是实现成功剥离的关键, 低浓度(50%, 75%)H2SO4不能有效剥离g-C3N4.除了强酸, 碱溶液也被用来辅助剥离g-C3N4. Sano等[28]利用0.1 M NaOH水热处理g-C3N4(150 ℃, 18 h), 可以有效除去g-C3N4中不稳定的部分, 得到中孔g-C3N4, 从而将其比表面积从7.7提高至65 m2·g-1. 比表面积的提高也增强了其光催化去除NO的能力.Ma等[29]开发了一种简便高效剥离g-C3N4的方法. 将体相g-C3N4置于含有三聚氰胺、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)的水溶液中, 在油浴中搅拌处理一定时间即可有效剥离g-C3N4, 得到薄层g-C3N4纳米片. DMF可以插入g-C3N4的层间, 减小相邻两层间的相互作用力, 增加层与层之间的空间, 三聚氰胺的加入可以进一步降低层与层之间的相互作用力并增加层与层之间的空间, 从而在相对简单的条件下即可实现g-C3N4的剥离. 除此之外, Li+插入g-C3N4的层间也可以有效剥离g-C3N4, 得到二维纳米片[30].2.3.3 超声剥离法在g-C3N4的层间, 范德华力的存在使得层与层之间的堆积较为紧密, 利用超声波辅助的方法可以破坏此范德华力从而有效剥离g-C3N4, 得到薄层g-C3N4纳米片.Yang等[31]尝试使用异丙醇(IPA)、N-甲基吡咯烷酮 (NMP)、丙酮和乙醇作为溶剂, 利用超声辅助的方法剥离g-C3N4. 结果表明NMP是一种有效的能够稳定二维g-C3N4纳米片的有机溶剂, 但NMP的沸点较高(202 ℃), 很难除去, 因而对g-C3N4的后续使用是不利的. 综合考虑, 作者选择IPA作为大规模超声剥离g-C3N4的有机溶剂. 剥离后, g-C3N4纳米片的厚度仅有2 nm, 比表面积可达384 m2·g-1, 在IPA中g-C3N4纳米片可以稳定长达4个月, 并且与体相聚合态g-C3N4相比, 电荷在g-C3N4纳米片中的传递阻力降低了75%.类似于氧化石墨烯的超声剥离, 如果溶剂的表面能与被剥离样品的表面能较为匹配, 超声剥离的效率将会较高. Zhang等[32]利用此原理, 计算得到水的表面能(102 mJ·m-2)与体相g-C3N4(115 mJ·m-2)较为匹配, 因此利用水作为分散剂, 超声剥离制备了水溶性的g-C3N4纳米片, 从而避免了有机溶剂的使用. 剥离得到的g-C3N4纳米片厚度仅为2.5 nm, 因此表现出较好的光催化性能.前述超声剥离方法能够得到较好的g-C3N4纳米片, 但所制备的分散液中g-C3N4的浓度较低(～0.3 mg·L-1), 不利于催化等应用. 为了利用超声剥离的方法制备高浓度g-C3N4纳米片分散液, Liu等[33]使用混合溶剂(乙醇/水、异丙醇/水、N,N-二甲基甲酰胺/水)对g-C3N4进行超声剥离, 获得了厚度为0.38 nm的单层纳米片, 同时g-C3N4的浓度可达3 mg·L-1, 为后续应用打下了良好的基础.3 g-C3N4的光催化应用3.1 光催化分解水制备氢气和氧气氢气的能量密度(140 MJ·kg-1)远高于碳氢类燃料, 并且氢气燃烧后没有碳排放, 因此是理想的清洁能源. 利用太阳能光催化分解水制备氢气, 是从根本上解决能源短缺和环境污染问题的理想途径之一, 因此成为高效利用和转换太阳能最为重要的研究方向之一. 基于g-C3N4光催化剂实现可见光催化水分解为氢气已成为目前光催化应用的研究热点[1,34,35].在异相催化中, 催化剂的表面是催化反应发生的位点, 因此提高g-C3N4的比表面积能够为催化反应提供更多的反应位点, 同时有利于反应物与催化剂的接触, 可以有效提高其光催化分解水的效率. 利用硬模板、软模板等方法制备的多孔g-C3N4(porous g-C3N4)与体相聚合态g-C3N4(bulk g-C3N4)相比, 比表面积一般可增加一倍至数倍, 而光催化还原水制氢的效率可提高大约1～2个数量级. Wang 等[1]2009年首次利用g-C3N4作为光催化剂分解水制氢, 所制备的体相g-C3N4比表面积约为10 m2·g-1, 产氢的效率约为10.7 μmol·h-1. 2012年Wang等[14]利用SiO2硬模板制备了中空g-C3N4微球, 比表面积比体相g-C3N4提高了3～7倍, 光催化分解水产氢活性则从9提高至224 μmol·h-1, 在波长420 nm的量子效率可达7.5%, 比表面积的增加是光催化活性提高的重要原因之一.如前文所述, 将体相g-C3N4剥离为二维层状纳米片是有效提高其比表面积的途径之一. 同时, 二维平面结构也有利于光生电荷在催化剂表面的传递, 因此对光催化效率的提高也是十分有益的. 利用高温氧化热剥离的方法, Niu等[24]将g-C3N4的比表面积从50提高至306 m2·g-1, 而光催化分解水制氢的活性也提高了5.4倍, 达到170 μmol·h-1.作为水分解的另一个半反应, 利用g-C3N4作为光催化剂分解水制备氧气也得到了许多关注, 通过在g-C3N4表面负载RuO2作为助催化剂, Wang等[1]在8 h内收集到了53 μmol 的O2, 证实了g-C3N4具有潜在的分解纯水的能力. 通过在g-C3N4表面负载Pt作为产氢助催化剂, PtOx和CoOx作为产氧助催化剂, Wang 等[36]成功实现了纯水的全分解, 该体系在波长405 nm处的量子效率约为0.3%.3.2 光催化还原CO2温室气体CO2固定化和能源危机是目前全球关注的热点, 受植物光合作用的启发, 人们尝试利用光催化还原CO2实现CO2固定同时生产能源物质. 从热力学上看, CO2还原可以经过二电子、四电子、六电子或八电子转移从而转化为甲酸/CO、HCHO、CH3OH或CH4, 如公式(1～5)所示. g-C3N4拥有较高的导带位置, 因而理论上可以实现CO2的光催化还原.CO2+2H++2e-→HCOOH(1)CO2+2H++2e-→CO+H2O(2)CO2+4H++4e-→HCHO+H2O(3)CO2+6H++6e-→CH3OH+H2O(4)CO2+8H++8e-→CH4+2H2O(5)Dong和Zhang等[37]报道了在水蒸气存在的条件下, g-C3N4可以在可见光激发下将CO2还原为CO. 利用热氧化的方法将体相g-C3N4剥离为薄层g-C3N4后, 光催化还原CO2的产物也由CH3CHO转变为CH4, 主要原因在于薄层g-C3N4的能带结构发生改变, 禁带变宽, 导带位置升高.利用光催化将水分子还原为氢气的反应为二电子转移反应, 而CO2还原则涉及到多电子转移, 因此后者的反应过程相对困难, 利用g-C3N4光催化还原CO2的效率一般也较低. 对g-C3N4的结构修饰、掺杂、共聚、构建异质结等可以有效提高其光催化还原CO2的效率[38-42].3.3 光催化降解环境污染物工业化进程的快速发展不可避免的在环境中引入了许多有毒有害的污染物, 如气相污染物、水体中的有机污染物、重金属离子等. 由非金属组成的g-C3N4具有良好的稳定性和可见光响应, 因此许多研究人员将其应用于光催化降解环境污染物. 利用g-C3N4作为光催化剂降解环境污染物的机理如图5所示, 在光照条件下产生的自由基·O2-, ·OH和h+都可以攻击有机污染物从而将其逐步矿化为CO2和水.图5 利用g-C3N4光催化降解环境污染物的机理Fig.5 Mechanism of photocatalytic degradation of environmental pollutants using g-C3N4 Sano等[28]首次介绍了利用g-C3N4作为光催化剂氧化气相NO. 通过在碱性溶液中水热处理体相g-C3N4, 有效提高了其比表面积, 从而使NO的光催化氧化效率得到了提高. 通过构建WO3/g-C3N4和TiO2/g-C3N4复合物, 气相HCHO、CH3CHO也可以通过光催化氧化的方法有效去除[43,44].g-C3N4也被用于光催化去除典型的有机污染物, 如亚甲基蓝、甲基橙、罗丹明B、苯酚、双酚A、四环素等. 但单一的g-C3N4的光催化活性一般较低, 掺杂和与其他半导体材料的复合是常用的提高g-C3N4光催化效率的途径, 例如Na/g-C3N4、K/g-C3N4、Fe/g-C3N4、BiOCl/g-C3N4、Ag3PO4/g-C3N4等[45-49].除了有机污染物, g-C3N4还被应用于重金属离子的还原, 如利用光生电子将Cr(VI)还原为Cr(III)[50,51].尽管利用g-C3N4光催化治理环境污染物已有较多报道, 但复杂污染物的光催化降解过程和降解机理还有待进一步分析和研究.3.4 光催化杀菌光催化过程中产生的光生空穴(h+)和·OH等自由基, 可以有效破坏细胞表面, 从而造成细胞凋亡. Huang等[52]首次报道了利用g-C3N4作为光催化剂杀死大肠杆菌. 此后, Zhao等[53]的研究发现单层g-C3N4具有优于体相g-C3N4的杀菌效果, 原因在于单层g-C3N4具有更好的光生电荷分离和传递效率. Wang等[54]构建了α-S8/g-C3N4/rGO三元体系用于大肠杆菌的光催化去除, 研究发现, 在好氧条件下, 自由基的氧化能力决定了除菌效果, 而在厌氧条件下, 光生电子的还原能力主导了大肠杆菌的去除.传统的具有较高杀菌效果的材料一般含有Ag或Ag+, 而金属元素的使用有可能造成水体系的二次污染, 因此利用非金属材料g-C3N4作为光催化杀菌材料具有非常大的应用潜力.4 结论本文总结了高比表面积g-C3N4的制备及其光催化应用, 模板法的使用为g-C3N4形貌的多样性提供了可能, 剥离法制备的二维g-C3N4纳米片不但增加了样品的比表面积, 同时改善了光生电荷的传递和分离效率. 比表面积的提高一方面增大了反应物与催化剂的接触面积, 为催化反应提供了更多位点, 另一方面为其它纳米颗粒的负载提供了丰富的空间, 使g-C3N4能够成为其它高效催化剂/助催化剂负载的平台, 有利于光催化反应性能的提升.由于g-C3N4的优异性能受到研究人员的广泛关注, 围绕g-C3N4的研究成果不断涌现, 但与含有金属元素的半导体材料相比, g-C3N4在光吸收性能、光生电荷的传递和分离等方面仍有很大的提升空间. 对g-C3N4的光催化性能研究可以从以下几个方面继续加强: (1)通过掺杂、形成缺陷位、构建异质结等途径进一步提高g-C3N4的光吸收性能; (2)建立简便易行的体相g-C3N4剥离方法以利于工业化应用;(3)以二维薄层g-C3N4为载体, 负载高分散性的纳米颗粒提高光催化性能; (4)利用g-C3N4光催化还原CO2和降解环境有机污染物的机理分析; (5)利用g-C3N4处理复杂体系中的有机污染物或实际工业生产中的废水.参考文献:【相关文献】[1] Wang X, Maeda K, Thomas A,et al. A metal-free polymeric photocatalytic for hydrogen production from water under visible light [J]. Nat Mater, 2009, 8: 76.[2] Algara-Siller G, Severin N, Chong S Y,et al. Triazine-based graphitic carbon nitride: a two-dimensional semiconductor [J]. Angew Chem Int Ed, 2014, 53: 7450.[3] Yan S C, Li Z S, Zou Z G. Photodegradation performance of g-C3N4fabricated by directly heating melamine [J]. Langmuir, 2009, 25: 10397.[4] Su Q, Sun J, Wang J Q,et al. Urea-derived graphitic carbon nitride as an efficient heterogeneous catalyst for CO2conversion into cyclic carbonates [J]. Catal Sci Technol, 2014, 4: 1556.[5] Hong J D, Xia X Y, Wang Y S,et al. Mesoporous carbon nitride with in situ sulfur doping for enhanced photocatalytic hydrogen evolution from water under visible light [J]. J Mater Chem, 2012, 22: 15006.[6] Wang Y B, Hong J D, Zhang W,et al. Carbon nitride nanosheets for photocatalytic hydrogen evolution: remarkably enhanced activity by dye sensitization [J]. Catal Sci Technol, 2013, 3: 1703.[7] Gu Q, Gao Z W, Zhao H G,et al. Temperature-controlled morphology evolution of graphitic carbon nitride nanostructures and their photocatalytic activities under visible light [J]. RSC Adv, 2015, 5: 49317.[8] Zhang G G, Zhang J S, Zhang M W,et al. Polycondensation of thiourea into carbon nitride semiconductors as visible light photocatalysts [J]. J Mater Chem, 2012, 22: 8083. [9] Dong F, Wang Z Y, Sun Y J,et al. Engineering the nanoarchitecture and texture of polymeric carbon nitride semiconductor for enhanced visible light photocatalytic activity [J]. J Colloid Interf Sci, 2013, 401: 70.[10] Wang X C, Maeda K, Chen X F,et al. Polymer semiconductors for artificial photosynthesis: hydrogen evolution by mesoporous graphitic carbon nitride with visible。

gC3N4光催化性能的研究进展一、本文概述1、介绍gC3N4的基本性质和应用背景。

石墨相氮化碳（gC3N4）是一种新兴的二维纳米材料，因其独特的电子结构和物理化学性质，在光催化领域引起了广泛关注。

gC3N4具有类似于石墨烯的层状结构，但其组成元素为碳和氮，而非石墨烯中的纯碳。

这种结构赋予了gC3N4良好的化学稳定性和独特的光学特性。

在光照条件下，gC3N4能够有效吸收光能并转化为化学能，从而驱动光催化反应的发生。

近年来，随着环境污染问题的日益严重和能源需求的不断增长，光催化技术作为一种高效、环保的能源转换和污染物治理手段，受到了广泛研究。

gC3N4作为一种性能优异的光催化剂，在光解水产氢、有机物降解、二氧化碳还原等方面展现出巨大的应用潜力。

gC3N4还具有原料来源广泛、制备工艺简单、成本低廉等优点，使得其在光催化领域的应用前景十分广阔。

因此，对gC3N4光催化性能的研究不仅有助于推动光催化技术的发展，也为解决当前的环境和能源问题提供了新的思路和方法。

本文将对gC3N4光催化性能的研究进展进行综述，以期为相关领域的研究提供参考和借鉴。

2、阐述光催化技术的重要性和gC3N4在光催化领域的研究意义。

光催化技术，作为一种高效、环保的能源转换方式，近年来受到了广泛的关注和研究。

该技术利用光能激发催化剂产生电子-空穴对，进而驱动氧化还原反应的发生，实现光能向化学能的转换。

这种技术不仅可以在太阳能利用、环境治理、有机物合成等领域发挥重要作用，而且对于推动可持续发展和绿色化学的发展具有重要意义。

在众多光催化剂中，石墨相氮化碳（gC3N4）因其独特的结构和性质，成为了光催化领域的研究热点。

gC3N4是一种非金属半导体材料，具有合适的禁带宽度、良好的化学稳定性和丰富的表面活性位点，这些性质使得gC3N4在光催化领域具有广阔的应用前景。

gC3N4的制备原料丰富、成本低廉，且制备方法多样，这为其在实际应用中的推广提供了有力支持。

g-C3N5在光催化中的应用进展杜易高智白璟垚发布时间：2023-06-03T07:46:55.931Z 来源：《中国科技信息》2023年6期作者：杜易高智白璟垚[导读] 宽光谱响应性的高效光催化材料体系的设计与构筑是光催化领域的研究热点和前沿。

石墨相氮化碳g-C3N5材料具有高的N/C比，较低的禁带宽度，在光催化中有着潜在的应用前景。

本文总结了近年来基于g-C3N5材料的改性及其在光催化污染物降解、裂解水和CO2还原中的应用进展。

为未来g-C3N5的光催化研究提供了基础。

西安建筑科技大学材料与工程学院摘要：宽光谱响应性的高效光催化材料体系的设计与构筑是光催化领域的研究热点和前沿。

石墨相氮化碳g-C3N5材料具有高的N/C 比，较低的禁带宽度，在光催化中有着潜在的应用前景。

本文总结了近年来基于g-C3N5材料的改性及其在光催化污染物降解、裂解水和CO2还原中的应用进展。

为未来g-C3N5的光催化研究提供了基础。

关键词：g-C3N5，改性策略，光催化1 引言在多相光催化领域中，二维（2D）材料因其良好的电学、光学及催化特性，是光催化体系中一类重要的研究对象。

石墨相氮化碳（g-C3N4）作为一种典型的光催化剂，在光催化的应用很广泛[1]。

但其带宽较宽，只能吸收500 nm以下的可见光，对太阳能的利用率不高，并且载流子极易复合，限制了大规模应用。

为了提升其光催化性能，科研工作者发现可以通过调整C/N比例，制备出N浓度偏高的氮化碳材料，调控电子结构，减低禁带宽度，进而增强光催化性能。

近年来，一种富含N的g-C3N5材料通过硬模板法被成功制备[2]，其具有高的热力学稳定性，较低的禁带宽度（2.0 eV），表现出比缺N的氮化物更优异的光催化性能。

但其较低的能带位置使得氧化还原能力不足，制约了其发展。

因此科研工作者通过深入研究发现，可以通过复合其他材料的方式提高g-C3N5材料的光催化性能。

2 g-C3N5材料的改性策略g-C3N5材料的性能受制于其高的光生电荷复合率和较低的氧化还原能力。

石墨相氮化碳及钴掺杂石墨相氮化在环境光催化中的应用研究下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。

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0引言化石能源危机是当前我国实现可持续发展面临的严重问题，寻找解决问题的有效途径具有重要意义。

近年来，关于太阳能利用的研究，特别是太阳能光催化研究的发展十分活跃，尤其是在半导体光催化剂研究方面。

目前，光催化领域使用的催化剂多为金属半导体和过渡金属复合物，存在太阳光利用率低、活性低和稳定性差等缺点。

而氮化碳具有硬度高、密度低、氮含量高、化学稳定性好以及耐摩擦等优点，可作为高性能的耐摩擦材料，合成金属氮化物的氮源[1-5]；同时，由于具有独特的光学和电子性质，在材料、光学、电子等领域中具有诱人的应用前景，如储能材料、传感器、金属防腐等[6-9]；氮化碳作为有机半导体非金属光催化剂在光催化分解水和降解有机污染物等领域具有简单易行、符合环保要求以及成本低的优点，在解决能源开发和环境治理问题上具有重要意义。

与传统的无机半导体光催化剂比较，氮化碳具有化学性质稳定、热稳定性强、可见光利用率高、制备简易和原料丰富且无毒等特点。

其将太阳能转化为化学能等其它形式能量的光催化性能和光催化降解有机污染物的作用为当下解决煤、石油等能源危机以及环境污染等人类亟待解决的问题提供了有效途径。

1氮化碳的研究历史氮化碳是文献中报道的最古老的聚合物之一。

关于它的研究最早可以追溯到1834年，Liebig 把一种由Berzelius合成出的聚合衍生物命名为“melon”[10]。

1922年，Franklin通过热解硫氰酸汞制备了一种无定形的C3N4化合物，并提出这种化合物可能具有类似石墨的结构[11]。

此后，研究者希望通过硫氰酸盐、三嗪类和七嗪类化合物的热解制备出氮化碳,但是都没能得到明确的晶体结构。

1985年，M.L.Cohen根据半经验公式估算出C3N4四面体化合物的体弹性模量值为461~483GPa[12]。

1989年，Liu等[13]以β-Si3N4为结构模型，用C 代替Si，在局域态密度近似下采用第一性赝势能带法，从理论上预言β-C3N4的硬度与金刚石相当之后，氮化碳的研究进入新的时期。