纳米片层结构石墨相氮化碳的光催化活性及循环利用

石墨相氮化碳可见光催化分解水制氢作者：刘澈来源：《中国科技纵横》2018年第01期摘要：随着人们对光催化剂研究的深入，利用光催化剂将水裂解产生氢气已经成为可以将太阳能转化为化学能的有效手段。

各种氧化物、氮化物和硫化物光催化剂因其各自具有独特的光催化性能而受到广泛的研究。

为进一步提高其在实际应用中的光催化效果，提高可见光利用率，科研学者们尝试了各种方法进行改进，如掺杂改性、复合改性、形貌调整等等。

本文依据前辈专家学者的科研成果，简单的从可见光利用方面阐述了现阶段可见光催化剂的研究和进展。

关键词：光解水制氢；石墨相氮化碳；可见光中图分类号：TQ426 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）01-0210-021 概述随着人类社会的快步发展，人类对能源的需求持续增长，地球储存的能源已经无法满足人类长期的发展需求。

同时化石能源的大量使用造成了环境大面积的破坏，严重威胁了人类的生存健康，寻求一种清洁高效的新能源成为能源发展的新方向。

氢能，作为一种二次能源具有着清洁，高效，热值高，原料广等优点，被认为是一种最理想的无污染绿色能源。

但是，氢在地球上主要是以化合物的形式存在，最广泛的来源就是水。

工业上往往用电解水制氢、煤炭气化制氢等方式制备氢气，都存在着能耗高，会带来污染等问题。

光催化剂是进行光解水制氢的基本要素，半导体光催化剂的催化原理可以用能带理论来解释，半导体存在着不连续的能带结构，价带和导带之间存在着具有一定宽度的禁带，当半导体光催化剂受到等于或高于其禁带宽度的光子能量的太阳光照射时，价带上的电子就会跃迁到导带上，同时在价带上产生相应的空穴，形成电子-空穴对。

电子、空穴在一定的作用力下迁移至粒子的表面，因其具有较强的氧化还原能力，从而使附着在粒子表面不能吸收光的物质发生氧化还原反应。

光解水制氢技术的首次提出是在1972年，日本东京大学的Fujishima教授[1]发现二氧化钛单晶电极经过太阳光的照射可以将水分解为氧气和氢气，直接将太阳能转化为化学能。

石墨相氮化碳的制备与光催化性能李龙飞;姜代旬;潘凤丹;刘廓;杜芳林;曲晓飞;尹正茂【摘要】石墨相氮化碳(g-C3N4)作为一种半导体材料,它的禁带宽度约为2.7 eV,具有优异的物理和化学稳定性,并且其原料来源广泛,无毒,廉价,可以应用于产氢、降解有机染料及CO2的还原等领域.本研究以尿素为原料制备了g-C3 N4,研究了热聚合温度、反应时间对制备的g-C3N4光催化降解罗丹明B性能的影响,并考察了对甲基橙、亚甲基蓝等不同染料的光催化降解效果.结果表明:石墨相氮化碳对于罗丹明B和亚甲基蓝的降解效果较好(3h之内几乎完全降解),而对于甲基橙几乎没有降解效果;随着聚合温度的提高(600℃以下),反应时间的延长(9 h以内),产物的光催化降解染料的效果越好.【期刊名称】《青岛科技大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2019(040)002【总页数】6页(P36-41)【关键词】石墨相氮化碳;尿素;光催化降解【作者】李龙飞;姜代旬;潘凤丹;刘廓;杜芳林;曲晓飞;尹正茂【作者单位】青岛科技大学材料科学与工程学院,山东青岛266042;青岛科技大学材料科学与工程学院,山东青岛266042;青岛科技大学材料科学与工程学院,山东青岛266042;青岛科技大学材料科学与工程学院,山东青岛266042;青岛科技大学材料科学与工程学院,山东青岛266042;青岛科技大学材料科学与工程学院,山东青岛266042;青岛科技大学材料科学与工程学院,山东青岛266042【正文语种】中文【中图分类】TQ129随着化石能源的枯竭和生态环境的破坏，能源短缺和环境污染问题引起了人们的高度重视。

各种合成染料生产过程中产生的废液和废料，对环境产生了严重威胁[1-2]。

在这些污染中，对环境威胁最大的部分是每年在世界范围内产生近7 000万t 的各种染料[3-4]，而这些有机染料即使极低的浓度(0.001 mg·L-1)也会对人们造成严重的健康危害。

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。

石墨相氮化碳在光催化杀菌领域中的应用研究石墨相氮化碳（GNC）是一种新型的光催化剂，具有高效、环保和可再生的特点，在光催化杀菌领域中具有广阔的应用前景。

本文将探讨GNC在光催化杀菌领域中的应用研究，并分析其优势和挑战。

在过去的几十年里，细菌和病毒感染一直是人类面临的重要问题之一。

随着抗生素和其他传统杀菌剂的滥用和耐药性的增加，研发新型的杀菌技术迫在眉睫。

光催化杀菌是一种具有潜力的替代方法，其中光催化剂能够利用可见光或紫外光产生活性氧化物，从而杀死细菌和病毒。

GNC作为一种全新的光催化剂，具有许多优势。

首先，GNC的光电转换效率高，能够利用可见光产生大量的电子-空穴对。

这些电子-空穴对能够通过还原和氧化反应产生活性氧化物，从而具有杀菌效果。

其次，GNC是一种环保的材料，由碳、氮和氧组成，不会产生有害的副产物。

最后，GNC是可再生的，可以通过简单的方法制备和再生，从而减少成本和资源消耗。

研究表明，GNC在光催化杀菌领域具有广泛的应用潜力。

一项研究发现，GNC对大肠杆菌具有显著的杀菌效果。

在可见光照射下，GNC能够产生一定量的活性氧化物，破坏细菌细胞的结构和功能，从而导致其死亡。

类似的结果也在其他细菌和病毒中得到验证，包括金黄色葡萄球菌、大肠肠杆菌O157、流感病毒等。

除了对细菌和病毒的杀菌作用外，GNC还具有其他应用价值。

一项研究发现，GNC可以通过光催化降解有机污染物，如苯酚和甲醛，从而净化水和空气。

另一项研究显示，GNC还可以用于光催化制备氢气和其他燃料，实现可持续能源的生产。

尽管GNC在光催化杀菌领域具有许多优势，但也面临一些挑战。

首先，GNC的光催化效率目前仍然有待提高。

虽然GNC能够利用可见光产生大量的电子-空穴对，但其光吸收能力仍然有限，导致部分光能无法有效利用。

其次，GNC的制备方法和再生方法还不够成熟。

目前的制备方法通常需要高温和高压条件，从而增加了成本和能源消耗。

另外，GNC的稳定性也是一个问题，其在长时间使用和再生后性能会出现衰减。

《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、引言随着环境问题与能源短缺问题的日益突出，寻找可再生且环保的能源成为科学研究的重点。

其中，光催化技术以其高效、环保的优点在太阳能利用和污染治理方面显示出巨大的潜力。

而石墨相氮化碳（g-C3N4）作为一种新型的光催化材料，其独特的结构与性能引起了科研人员的广泛关注。

本文将就石墨相氮化碳光催化材料的结构调控及其光解水性能进行深入研究。

二、石墨相氮化碳的结构特性石墨相氮化碳（g-C3N4）是一种由碳和氮元素组成的二维层状材料，其结构类似于石墨。

在g-C3N4中，碳和氮原子通过sp2杂化形成共轭π键网络，具有较高的电子迁移率和良好的化学稳定性。

此外，其多孔的层状结构有利于光生电子和空穴的传输和分离，从而提高光催化性能。

三、结构调控方法为了进一步提高g-C3N4的光催化性能，需要对材料进行结构调控。

本文将介绍以下几种常见的结构调控方法：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。

掺杂元素可以引入新的能级或缺陷态，从而提高光吸收能力和光生载流子的分离效率。

2. 形貌调控：通过改变g-C3N4的形貌（如纳米片、纳米球等）来优化其光催化性能。

不同形貌的g-C3N4具有不同的比表面积和光吸收能力，从而影响其光催化活性。

3. 复合其他材料：将g-C3N4与其他具有优异光催化性能的材料（如金属氧化物、硫化物等）进行复合，形成异质结或共混体系，以提高光生载流子的分离效率和传输速率。

四、光解水性能研究g-C3N4作为一种光催化材料，具有优异的光解水性能。

通过结构调控，可以进一步提高其光解水性能。

本文将介绍g-C3N4在光解水方面的应用及性能表现：1. 光解水制氢：g-C3N4能够吸收太阳能并激发出光生电子和空穴，其中光生电子具有还原性，可以与水中的氢离子反应生成氢气。

通过结构调控提高g-C3N4的光吸收能力和载流子分离效率，可以进一步提高其光解水制氢的性能。

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。

石墨相氮化碳的结构与光催化性能作者：杨玉蓉王佳慧刘宇飞来源：《牡丹江师范学院学报（自然科学版）》2022年第03期摘要：阐述石墨相氮化碳的合成、在光催化领域中的应用、改性与形貌控制，展望其在光催化领域面临的机遇和挑战.关键词：石墨相氮化碳;光催化;改性[中图分类号]TK91;O644.1[文献标志码]A文章编号：1003-6180（2022）03-0035-04Structure and Photocatalytic Properties of Graphitic Carbon NitrideYANG Yurong，WANG Jiahui，LIU Yufei（School of Science，Heihe University，Heihe 164300，China）Abstract：The synthesis，application，modification and morphology control of graphite-phase carbon nitride in photocatalysis were reviewed，and the opportunities and challenges in photocatalysis field were proposed.Key words：graphitic carbon nitride;photocatalysis;modification工业化的迅速发展导致全球对能源的需求急剧增加.日益增长的能源需求和逐渐恶化的环境问题成为全球可持续发展的巨大挑战.将太阳能转化为可再生能源成为解决能源和环境问题的有效策略.可见光诱导的半导体光催化技术被广泛研究.在众多光催化剂中，石墨相氮化碳因具有较高的物理化学稳定性和独特的電子能带结构等优点而备受关注.石墨相氮化碳稳定性高、成本低、绿色环保，在光催化产氢领域被广泛应用.然而，由于电导率低、载流子复合率高、光吸收效率低，石墨相氮化碳的光催化性能并不理想.本研究对石墨相氮化碳的结构、合成、在光催化领域中的应用、改性与形貌控制进行了分析，展望了光催化领域存在的机遇和挑战.1石墨相氮化碳的合成石墨相氮化碳作为一种可见光催化剂，通常由含有氮的前驱体直接缩合来合成，可以采用对尿素、硫脲、三聚氰胺等富氮的前驱体进行热处理来制备.前驱体材料和制备条件是影响石墨相氮化碳物理化学性质的关键因素，这些因素严重影响了石墨相氮化碳的C/N比、比表面积、孔隙率、吸收边缘及其微观结构.石墨相氮化碳的合成过程是加聚和缩聚的组合：单氰胺分子在约203 °C和234 °C温度下缩合为双氰胺和三聚氰胺，接着进入除去氨的冷凝阶段，大约335 °C时，合成三聚氰胺产物.进一步加热到约390 °C，3s-三嗪单元通过三聚氰胺的重排形成.520 °C，聚合的石墨相氮化碳通过单元进一步冷凝产生.在600 °C以上变得不稳定，超过700 °C，石墨相氮化碳会转化成氮和氰基碎片消失.石墨相氮化碳的独特性质和化学结构受反应气氛的强烈影响.反应气氛能够诱导无序结构、缺陷以及碳和氮空位的产生.缺陷对于多相催化反应是必不可少的，它们可以作为反应物分子的活性位点，通过在价带和导带之间引入其他能级来改变电子能带结构，以增强可见光吸收.半导体中的缺陷和晶格无序可以形成中间态，通常称为带尾态，用于激发电子-空穴对和光催化剂的光学响应.[1-2]无序缺陷的另一个优点是存在更多的俘获位点以阻止光生载流子的复合.具有介孔特征的石墨氮化碳是一种非常有希望的非金属催化剂，除了具有大的比表面积和结晶孔壁，还显示出独特的半导体特性.介孔的形成和比表面积的提高能够调整氮化碳的物理化学性质，从而提升材料的光催化性能.制备石墨相氮化碳的新方法包括超声分散技术、软模板法、化学功能化技术和酸性溶液浸渍法.使用软模板方法形成介孔阵列是通过协同构建两亲表面活性剂和客体物质来实现的.有机模板的成分及其性质对于产生介孔结构至关重要.因此，它们通常被认为是结构导向剂，该方法通常在水热环境中进行，可通过蒸发诱导自组装实现.2石墨相氮化碳在光催化领域中的应用在众多的光催化剂中，石墨相氮化碳由于成本低、制备工艺简单受到了人们的广泛关注.[3-5]石墨相氮化碳具有独特的二维结构，层间的弱范德华力使其具有片状石墨特征，使得每层中的原子排列成具有强共价键的蜂窝状结构，从而形成具有π共轭的类石墨平面构型，进而能够迅速的传输光生载流子.[6-9]石墨相氮化碳的禁带宽度为2.7 eV，最大吸收边为460 nm，能够吸收太阳光谱的部分可见光，具有热稳定性、生物相容性、环保性和耐腐蚀的优点.[10]石墨相氮化碳的价带由N2p轨道构成，导带由N2p和C2p 轨道杂化而成，它具有适当的价带和导带电位，满足光催化产氢、产氧的条件，在光催化领域中被广泛应用.已经开发了大量高效的光催化活性的石墨相氮化碳基纳米材料，其异质结具有出色的光解水制氢性能.石墨相氮化碳作为一种非金属金属和可见光响应的催化剂，在污染物降解中有广阔的应用前景.石墨相氮化碳的光催化降解反应可分为两类：污染物的气相降解，有机污染物和有毒离子的液相去除.二维石墨相氮化碳异质结作为光催化剂在CO2还原中受到广泛关注.石墨相氮化碳的导带底满足CO2还原半反应，能够实现光催化CO2还原.CO2光还原过程不仅仅是一步反应，它涉及质子参加的多电子反应过程，能够产生多种产物.从热力学角度看，CO2通过获得多个（二、四、六、八）电子和氢自由基，依次还原生成气态和液态烃，依次为HCOOH（液态）、CO （气态）、HCHO（液态）、CH3OH（液态）到CH4（气态）.光催化消毒是另一个值得关注的方向.与传统的消毒方法（如臭氧法、氯化法和紫外线法）相比，光催化消毒具有高效、无毒和稳定的特点，是解决这一问题的新选择.3石墨相氮化碳光催化剂的改性与形貌控制由于N2p和C2p轨道的杂化，石墨相氮化碳表现出严重的光生载流子复合.此外，它的光吸收效率低，这些因素极大地限制了其光催化活性的提高.为了提高石墨相氮化碳的光催化活性，研究人员采用了多种策略来提高石墨相氮化碳的光催化活性，如元素和分子掺杂、缺陷引入、界面调控、贵金属负载、有机物复合、与光敏材料和导电材料形成异质结以及合成石墨相氮化碳基同质结.[11]非金属或阴离子的掺杂导致石墨相氮化碳的带隙变窄，从而增强光捕获能力.这是由于杂质的引入，形成了局域态，并将价带顶的位置提高，由此缩小了带隙，增加了光吸收.此外，非金属的掺杂也会导致π电子的离域效应，能够增强材料的电导率、光生载流子的迁移率和电子-空穴对分离率.从动力学和热力学的角度来看，价带宽度对空穴的迁移率起着重要作用，因为宽度越大，空穴的迁移率越高，从而导致更好的氧化效果.价带宽度的增加，需要阴离子或非金属掺杂剂在材料中均匀分布.共掺杂或多个原子的掺杂也是一种很有前途的方法，它可以更有效地调节石墨相氮化碳的带隙.多原子共掺杂能够显著提高石墨相氮化碳的光催化活性.空位也会提高石墨相氮化碳的光吸收，影响它的光催化能力，充当发生反应物吸附、活化以及电子捕获的特定位点，有效地调控材料的能带结构.[12-13]在石墨相氮化碳内引入氮空位能够减小带隙，在石墨相氮化碳中引入碳空位为光生电荷载流子的快速转移提供了活性位点和扩散通道，提高石墨相氮化碳的光吸收，降低光生载流子的复合.将石墨相氮化碳与其他非金属材料、碳基材料、聚合物和分子聚合也是提高其光催化活性的有效方法.石墨相氮化碳和氧化石墨烯复合的纳米材料是通过浸渍和化学还原的组合工艺制备的，石墨烯起到了导电通道的作用，从而有效地分离光生载流子.将MOF材料与石墨相氮化碳复合能够有效提高石墨相氮化碳的光催化活性.石墨相氮化碳与有机分子结合能够有效提高光催化性能，用低负电性分子掺杂剂取代氮原子有利于电子转移，从而提高电导率并抑制光生载流子的复合.增强的电子共轭体系显著地降低了石墨相氮化碳的带隙，导致吸收峰发生红移.由于石墨相氮化碳的电子结构很大程度上由其富电子共轭骨架决定，有机化合物（包括有機分子、有机聚合物和MOFs）与石墨相氮化碳的结合为扩展芳香族聚醚共轭体系提供了可能，实现了对其固有结构特性的调整，例如缩小其带隙以促进光吸收和电荷传输.[14-15]构建异质结或同质结也是增强电荷分离的有效策略.将石墨相氮化碳和其他半导体复合会产生能带偏移，从而在界面处感应出内置电场，实现光生电荷载流子的反向传输.同型异质结已被广泛用于非金属光催化剂.目前，研究人员已经采用了多种策略来制备石墨相氮化碳同质结光催化剂，这些石墨相氮化碳同质结光催化剂显示了良好的光催化活性.控制纳米结构也会导致石墨相氮化碳的化学、物理和光学性质发生改变，调整氧化还原位点的数量、电子和空穴到达活性位点的扩散距离，对提高石墨相氮化碳的性能至关重要.近年来，许多学者深入研究了光催化产氢与石墨相氮化碳形态之间的关系，开发了量子点、一维纳米线、纳米棒、纳米纤维、纳米管、二维纳米片.[16-17]合成石墨相氮化碳的过程中添加造孔剂，通过热缩聚成功制备了多孔石墨相氮化碳，这些多孔石墨相氮化碳的光催化活性和稳定性均得到很大提高.研究人员通过在NH3气氛下对块状石墨相氮化碳进行热处理，开发了具有大量平面内孔和大量碳空位的多孔石墨相氮化碳纳米片，平面内孔赋予石墨相氮化碳具有许多边界，减少了范德华相互作用以减轻严重的聚集，但也暴露了额外的活性边缘和扩散路径，极大地加速了光生电子-空穴的传输和扩散.[18]由于面内孔丰富，石墨相氮化碳的合理改性可以同时实现载流子的有效传输、分离、转移和利用，以及高效的光吸收，这是开发新一代性能优异光催化剂的基础.总之，作为研究最广泛的光催化剂之一，石墨相氮化碳具有可调谐的电子能带结构、化学稳定性、低成本等优异的特性.然而，氮原子的高电负性增加了共轭体系的缺陷，导致石墨相氮化碳的电子利用率和电导率下降，从而对其光催化活性产生不利影响.尽管迄今为止已经取得了一些令人振奋的成果，但石墨相氮化碳杂化复合材料的效率和稳定性仍远未达到大规模应用的要求.在未来的研究中需要深入挖掘光催化反应机理，更好地设计石墨相氮化碳基有机光催化剂，进一步提高材料的稳定性.开发剥离石墨相氮化碳，探索均匀的单层或多层纳米片的新方法，实现更高的太阳能转化效率.开发价格低廉、绿色环保、具有较高的化学稳定性的石墨相氮化碳基光催化剂，并应用到工业领域中，仍然是一个挑战.参考文献[1]桑娜，任玉兰，王雪，等.Bi/BiOBr光催化剂的合成及性能研究[J].牡丹江师范学院学报：自然科学版，2019 （04）：46-49.[2]汪鹏生，李洋，李甲地.水热法制备TiO2/MoS2纳米球光催化剂及其光催化性能研究[J].牡丹江师范学院学报：自然科学版，2017（04）：37-39.[3]孙志明，李雪，马建宁，等.类石墨氮化碳/伊利石复合材料的制备及其可见光催化性能[J].复合材料学报，2018，35（06）：1558-1565.[4]胡金娟，马春雨，王佳琳，等.Ag-Ag2O/TiO2-g-C3N4纳米复合材料的制备及可见光催化性能[J].复合材料学报，2020，37（06）：1401-1410.[5]曹雪娟，单柏林，邓梅，等.Fe掺杂g-C3N4光催化剂的制备及光催化性能研究[J].重庆交通大学学报：自然科学版，2019，38（11）：52-57.3石墨相氮化碳光催化剂的改性与形貌控制由于N2p和C2p轨道的杂化，石墨相氮化碳表现出严重的光生载流子复合.此外，它的光吸收效率低，这些因素极大地限制了其光催化活性的提高.为了提高石墨相氮化碳的光催化活性，研究人员采用了多种策略来提高石墨相氮化碳的光催化活性，如元素和分子掺杂、缺陷引入、界面调控、贵金属负载、有机物复合、与光敏材料和导电材料形成异质结以及合成石墨相氮化碳基同质结.[11]非金属或阴离子的掺杂导致石墨相氮化碳的带隙变窄，从而增强光捕获能力.这是由于杂质的引入，形成了局域态，并将价带顶的位置提高，由此缩小了带隙，增加了光吸收.此外，非金属的掺杂也会导致π电子的离域效应，能够增强材料的电导率、光生载流子的迁移率和电子-空穴对分离率.从动力学和热力学的角度来看，价带宽度对空穴的迁移率起着重要作用，因为宽度越大，空穴的迁移率越高，从而导致更好的氧化效果.价带宽度的增加，需要阴离子或非金属掺杂剂在材料中均匀分布.共掺杂或多个原子的掺杂也是一种很有前途的方法，它可以更有效地调节石墨相氮化碳的带隙.多原子共掺杂能够显著提高石墨相氮化碳的光催化活性.空位也會提高石墨相氮化碳的光吸收，影响它的光催化能力，充当发生反应物吸附、活化以及电子捕获的特定位点，有效地调控材料的能带结构.[12-13]在石墨相氮化碳内引入氮空位能够减小带隙，在石墨相氮化碳中引入碳空位为光生电荷载流子的快速转移提供了活性位点和扩散通道，提高石墨相氮化碳的光吸收，降低光生载流子的复合.将石墨相氮化碳与其他非金属材料、碳基材料、聚合物和分子聚合也是提高其光催化活性的有效方法.石墨相氮化碳和氧化石墨烯复合的纳米材料是通过浸渍和化学还原的组合工艺制备的，石墨烯起到了导电通道的作用，从而有效地分离光生载流子.将MOF材料与石墨相氮化碳复合能够有效提高石墨相氮化碳的光催化活性.石墨相氮化碳与有机分子结合能够有效提高光催化性能，用低负电性分子掺杂剂取代氮原子有利于电子转移，从而提高电导率并抑制光生载流子的复合.增强的电子共轭体系显著地降低了石墨相氮化碳的带隙，导致吸收峰发生红移.由于石墨相氮化碳的电子结构很大程度上由其富电子共轭骨架决定，有机化合物（包括有机分子、有机聚合物和MOFs）与石墨相氮化碳的结合为扩展芳香族聚醚共轭体系提供了可能，实现了对其固有结构特性的调整，例如缩小其带隙以促进光吸收和电荷传输.[14-15]构建异质结或同质结也是增强电荷分离的有效策略.将石墨相氮化碳和其他半导体复合会产生能带偏移，从而在界面处感应出内置电场，实现光生电荷载流子的反向传输.同型异质结已被广泛用于非金属光催化剂.目前，研究人员已经采用了多种策略来制备石墨相氮化碳同质结光催化剂，这些石墨相氮化碳同质结光催化剂显示了良好的光催化活性.控制纳米结构也会导致石墨相氮化碳的化学、物理和光学性质发生改变，调整氧化还原位点的数量、电子和空穴到达活性位点的扩散距离，对提高石墨相氮化碳的性能至关重要.近年来，许多学者深入研究了光催化产氢与石墨相氮化碳形态之间的关系，开发了量子点、一维纳米线、纳米棒、纳米纤维、纳米管、二维纳米片.[16-17]合成石墨相氮化碳的过程中添加造孔剂，通过热缩聚成功制备了多孔石墨相氮化碳，这些多孔石墨相氮化碳的光催化活性和稳定性均得到很大提高.研究人员通过在NH3气氛下对块状石墨相氮化碳进行热处理，开发了具有大量平面内孔和大量碳空位的多孔石墨相氮化碳纳米片，平面内孔赋予石墨相氮化碳具有许多边界，减少了范德华相互作用以减轻严重的聚集，但也暴露了额外的活性边缘和扩散路径，极大地加速了光生电子-空穴的传输和扩散.[18]由于面内孔丰富，石墨相氮化碳的合理改性可以同时实现载流子的有效传输、分离、转移和利用，以及高效的光吸收，这是开发新一代性能优异光催化剂的基础.总之，作为研究最广泛的光催化剂之一，石墨相氮化碳具有可调谐的电子能带结构、化学稳定性、低成本等优异的特性.然而，氮原子的高电负性增加了共轭体系的缺陷，导致石墨相氮化碳的电子利用率和电导率下降，从而对其光催化活性产生不利影响.尽管迄今为止已经取得了一些令人振奋的成果，但石墨相氮化碳杂化复合材料的效率和稳定性仍远未达到大规模应用的要求.在未来的研究中需要深入挖掘光催化反应机理，更好地设计石墨相氮化碳基有机光催化剂，进一步提高材料的稳定性.开发剥离石墨相氮化碳，探索均匀的单层或多层纳米片的新方法，实现更高的太阳能转化效率.开发价格低廉、绿色环保、具有较高的化学稳定性的石墨相氮化碳基光催化剂，并应用到工业领域中，仍然是一个挑战.参考文献[1]桑娜，任玉兰，王雪，等.Bi/BiOBr光催化剂的合成及性能研究[J].牡丹江师范学院学报：自然科学版，2019 （04）：46-49.[2]汪鹏生，李洋，李甲地.水热法制备TiO2/MoS2纳米球光催化剂及其光催化性能研究[J].牡丹江师范学院学报：自然科学版，2017（04）：37-39.[3]孙志明，李雪，马建宁，等.类石墨氮化碳/伊利石复合材料的制备及其可见光催化性能[J].复合材料学报，2018，35（06）：1558-1565.[4]胡金娟，马春雨，王佳琳，等.Ag-Ag2O/TiO2-g-C3N4纳米复合材料的制备及可见光催化性能[J].复合材料学报，2020，37（06）：1401-1410.[5]曹雪娟，单柏林，邓梅，等.Fe掺杂g-C3N4光催化剂的制备及光催化性能研究[J].重庆交通大学学报：自然科学版，2019，38（11）：52-57.。

石墨相氮化碳可见光催化分解水制氢1 概述随着人类社会的快步发展，人类对能源的需求持续增长，地球储存的能源已经无法满足人类长期的发展需求。

同时化石能源的大量使用造成了环境大面积的破坏，严重威胁了人类的生存健康，寻求一种清洁高效的新能源成为能源发展的新方向。

氢能，作为一种二次能源具有着清洁，高效，热值高，原料广等优点，被认为是一种最理想的无污染绿色能源。

但是，氢在地球上主要是以化合物的形式存在，最广泛的来源就是水。

工业上往往用电解水制氢、煤炭气化制氢等方式制备氢气，都存在着能耗高，会带来污染等问题。

光催化剂是进行光解水制氢的基本要素，半导体光催化剂的催化原理可以用能带理论来解释，半导体存在着不连续的能带结构，价带和导带之间存在着具有一定宽度的禁带，当半导体光催化剂受到等于或高于其禁带宽度的光子能量的太阳光照射时，价带上的电子就会跃迁到导带上，同时在价带上产生相应的空穴，形成电子 - 空穴对。

电子、空穴在一定的作用力下迁移至粒子的表面，因其具有较强的氧化还原能力，从而使附着在粒子表面不能吸收光的物质发生氧化还原反应。

光解水制氢技术的首次提出是在 1972 年，日本东京大学的 Fujishima 教授 [1] 发现二氧化钛单晶电极经过太阳光的照射可以将水分解为氧气和氢气，直接将太阳能转化为化学能。

在这样的基础之上，各种各样的光催化剂被科学研究者们发现，本文旨在从光催化剂的角度出发，就现存的一些利用可见光解水制氢的方法进行简单的介绍以及其研究进展。

2 研究现状综述石墨相氮化碳即 g-C3N4 是一种具有优异光催化性能的非金属半导体，其组成元素是地球上含量丰富的C和N,相比于金属半导体而言成本较低。

且 g-C3N4 具有密度低、化学稳定性好、耐磨性强［2］等优点。

由于g-C3N4的禁带带宽合适，在2.7eV左右，可以吸收太阳光谱中波长小于475nm的光波，可见光可激发；且g-C3N4没有毒性，适用范围广，引起了学者们的广泛研究。

石墨相氮化碳的化学合成及应用一、本文概述石墨相氮化碳（g-C3N4）是一种新兴的二维纳米材料，自其被发现以来，已在科学界引起了广泛的关注。

本文旨在深入探讨石墨相氮化碳的化学合成方法以及其在多个领域的应用。

我们将首先概述石墨相氮化碳的基本性质，然后详细介绍其化学合成的最新进展，最后探讨其在能源转换、环境修复、生物医学等领域的应用前景。

通过对石墨相氮化碳的深入研究，我们期待能够为材料科学的发展提供新的思路和方法，同时也为实际问题的解决提供有效的材料基础。

二、石墨相氮化碳的化学合成石墨相氮化碳（g-C3N4）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，在能源转换、光催化、传感器等领域具有广泛的应用前景。

其合成方法多种多样，主要包括热缩聚法、溶剂热法、气相沉积法以及微波辅助法等。

热缩聚法：热缩聚法是最常见的制备g-C3N4的方法之一。

通常，富含氮的前驱体（如尿素、硫脲、三聚氰胺等）在高温下（如500-600℃）进行热缩聚，生成g-C3N4。

这种方法简单易行，产量大，但得到的g-C3N4往往结晶度不高，存在大量的结构缺陷。

溶剂热法：溶剂热法是一种在溶剂存在下进行热缩聚的方法。

通过选择合适的溶剂和反应条件，可以调控g-C3N4的形貌和结构。

这种方法制备的g-C3N4通常具有较高的结晶度和较大的比表面积。

气相沉积法：气相沉积法是一种在基底上直接生长g-C3N4的方法。

通过控制气相反应的条件，可以在基底上制备出高质量的g-C3N4薄膜。

这种方法制备的g-C3N4具有良好的结晶度和均匀的厚度，适用于制备大面积、高质量的g-C3N4。

微波辅助法：微波辅助法是一种利用微波加热快速合成g-C3N4的方法。

微波加热具有快速、均匀、节能等优点，可以在短时间内完成g-C3N4的合成。

这种方法制备的g-C3N4具有较高的结晶度和良好的分散性。

除了以上几种方法外，还有一些其他的合成方法，如电化学合成法等离子体法等。