g-C3N4基异质耦合光催化剂制备及在环境污染物去除领域的研究进展

石墨相氮化碳(g-C₃N₄)作为一种可见光响应型半导体材料,具有稳定性高、廉价、结构与性能可调控性高等优点。随着绿色环保、无二次污染的光催化技术的不断发展,g-C₃N₄光催化剂逐渐成为环境与能源科学领域的研究热点。而单一的g-C₃N₄存在光激发电子-空穴复合过快、可见光的利用率低等缺陷导致其光催化效率较低。在众多的改性方法中,异质耦合被认为是提高g-C₃N₄光催化性能的有效方法。近年来,研究者通过将不同的无机半导体、贵金属、碳材料等与g-C₃N₄进行异质耦合,提高了光电子在光催化体系中的转移效率,拓宽了g-C₃N₄基光催化剂对可见光的吸收范围,并且增强了g-C₃N₄催化剂稳定性与结构的可调控。本文总结了异质耦合光催化剂的催化机理,综述了以g-C₃N₄为基础的异质耦合光催化体系的构建,探讨了g-C₃N₄基异质结在处理环境污染物中的研究进展。最后,对如何设计性能优异的g-C₃N₄基光催化剂及在光催化降解染料、有机污染物以及有毒重金属等研究方向的发展提出展望。     

g-C3N4的微观调控在环境治理中的应用

石墨相氮化碳(g-C₃N₄)是一种无金属光催化剂，具有环境友好、良好的热稳定性和化学稳定性，以及优异的光电化学性质等优点。但另一方面，其比表面积低、活性位点少、光生电子-空穴对复合速度快等缺陷限制了其光催化应用。综述了g-C₃N₄的改性方法，包括微观纳米化增强响应速度及增加活性位点，复合半导体增加载流子传输速率，构筑异质结提升电子-空穴分离效率等。经改性处理后，g-C₃N₄降解污染物的效率大大增加。     

硅藻土/g-C3N4复合材料的制备及其可见光增强活性

采用浸渍-焙烧法制备了具有可见光响应活性的硅藻土/g-C₃N₄复合光催化材料。利用TG、XRD、FE-SEM、HR-TEM、FT-IR、XPS、UV-Vis-DRS 和 PL谱等手段对其物相组成、形貌和光吸收特性进行表征。以RhB的光催化降解为探针反应评价催化剂的活性。光催化结果表明, 2.32wt%硅藻土/g-C₃N₄复合材料对RhB有较高的催化活性, 光催化降解的速率常数是纯g-C₃N₄的1.9倍。自由基捕获实验表明, ·O₂^-是RhB在硅藻土/g-C₃N₄复合材料上光催化降解的主要活性物种。光催化活性提高的主要原因在于硅藻土和g-C₃N₄之间静电作用有利于光生电子-空穴在g-C₃N₄表面的迁移, 进而提高g-C₃N₄的光催化活性。     

酸修饰氮化碳的制备及其可见光催化性能研究

采用水热法以酸修饰石墨相氮化碳，考察酸种类、酸用量、及水热温度对g-C₃N₄结构及光催化性能的影响，并以罗丹明B水溶液模拟废水，于可见光下对催化剂活性进行评价分析。利用X射线衍射(XRD)、傅里叶红外光谱仪(FT-IR)、紫外-可见-近红外分光光度计(UV-Vis)、物理吸附仪(N₂-physisorption)、荧光光谱(PL)等多种表征方法进行测试。结果表明：酸修饰对氮化碳起到了氧化作用，影响了g-C₃N₄的能带结构，带隙能增加，光吸收边有蓝移现象。且酸处理刻蚀了体相g-C₃N₄,有效地增大了其比表面积，增强其暗吸附能力，并提高电子-空穴对的分离效率。优化制备条件，发现当采用浓硝酸修饰、酸用量为0.3mL、水热温度为180℃时，所得催化剂在可将光下催化效果最佳，其降解速率是体相g-C₃N₄的4.33倍。     

原位构建P-N结复合材料及其可见光光催化性能

提高光催化过程中电子和空穴的提取和分离速率是提高光催化剂催化性能的关键技术之一。用浓硫酸剥离体相氮化碳得到石墨相g-C₃N₄,采用原位生长法制备花状g-C₃N₄/BiOBr P-N结复合材料,研究pH值对复合材料形貌的影响。利用XRD,SEM,EDS,TEM,UV-vis, BET等测试技术对所得样品的形貌、结构进行表征,讨论样品的光催化性能。结果表明:在g-C₃N₄/BiOBr复合材料内g-C₃N₄的[002]晶面和BiOBr的[001]晶面之间形成了异质结,可加速光生电子(e^-)和空穴(h⁺)的提取和分离。BiOBr和g-C₃N₄/BiOBr的禁带宽度分别为2.75,2.71 eV,复合材料的带隙减小,对可见光的吸收范围增强。BiOBr和g-C₃N₄/BiOBr复合材料的比表面积分别为1.27,6.43 m²/g,比表面积增大,增加催化反应活性位点。复合材料g-C₃N₄/BiOBr的光催化性能比纯g-C₃N₄和BiOBr更好,且重复使用效果佳。pH=8时制备的g-C₃N₄/BiOBr复合材料光催化效果最好,此时,对橙黄G、罗丹明B、甲基橙的光催化降解效率分别为91.00%,95.51%,96.72%。     

模板法合成g-C3N4基复合材料及其光催化性能的研究进展

石墨相氮化碳(g-C₃N₄)作为一种新型非金属高聚物半导体,具有易于合成、无毒无害、耐酸碱腐蚀、环境亲和性好等性质。独特的层状结构赋予了其较高的比表面积,适中的禁带宽度给予了其较好的光催化性能,使得其在光催化领域受到了广泛的关注。然而,纯相g-C₃N₄存在着比表面积小、活性位点不足、载流子复合过快和氧化还原能力偏弱等缺点,制约了其光催化领域的有效应用。研究表明,使用模板诱导工艺对g-C₃N₄进行结构调控可以有效解决上述问题。综述了目前常用于制备石墨相氮化碳的模板法(即硬模板法、软模板法和生物模板法),扩展讨论了多相复合工艺的进展情况,并归纳总结了g-C₃N₄基材料在光催化降解、CO₂转化和制氢等方面的应用情况。     

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

以伊利石为载体、双氰胺（C₂H₄ N₄）为类石墨氮化碳（g-C₃N₄）前驱体,采用液相浸渍-热聚合联合工艺制备出一种可见光响应的g-C₃N₄/伊利石光催化复合材料。利用XRD、FESEM、AFM、UV-Vis、BET及PL对样品的微观结构、界面特性及光学性能进行检测分析,同时考察g-C₃N₄/伊利石光催化复合材料在可见光照射下光催化降解环丙沙星（CIP）的效果。结果表明：相比纯g-C₃N₄,g-C₃N₄/伊利石复合材料在可见光下具有更高的光催化性能,其光催化速率是纯g-C₃N₄的11.26倍;伊利石与g-C₃N₄构成的复合结构能够有效地抑制光生载流子的复合,改善了纯g-C₃N₄材料的吸附性能和光催化活性。     

WO3/g-C3N4复合光催化剂制备及其可见光催化性能

将自制层状石墨相氮化碳(g-C₃N₄)和WO₃纳米片均匀混合,经煅烧制备WO₃/g-C₃N₄复合半导体。利用XRD、SEM、TEM、UV-Vis DRS和PL对其进行表征。结果表明,g-C₃N₄呈现类石墨烯状片层结构,WO₃为纳米片状结构,且分散在g-C₃N₄表面;与WO₃复合后,UV-Vis吸收边发生了红移,拓宽了g-C₃N₄对可见光的响应。以罗丹明B(RhB)为模拟污染物,考察WO₃/g-C₃N₄的光催化降解性能。WO₃/g-C₃N₄质量比为1∶5时,表现出最佳的光催化活性,可见光照60 min后,RhB降解率可达到94.9%。光催化剂具有良好的稳定性,重复使用6次后,RhB的降解率依然达到88.9%。光催化机制研究表明,超氧自由基(·O₂?)是光催化降解RhB的主要活性物种。      

水凝胶负载的纳米银/氮化碳光催化剂的制备及性能研究

石墨相氮化碳(g-C₃N₄)具有独特的二维平面结构和半导体能带结构, 广泛应用于光催化。但其又存在光生电子空穴对复合过快、可见光利用效率低、在水中分散性差等问题, 阻碍了其实际应用。本研究以海藻酸钠制备的水凝胶为基体, 通过与负载银纳米颗粒(AgNPs)的g-C₃N₄复合, 提升光生电子-空穴的分离效率, 同时解决催化剂在水中的分散性问题, 改善其光催化性能。首先, 采用热聚合法合成g-C₃N₄, 结合超声的高能量使其剥离成纳米片; 然后采用溶液法在g-C₃N₄表面原位生成银纳米颗粒, 制备得到负载银纳米颗粒的g-C₃N₄(Ag@C₃N₄); 最后以海藻酸钠(SA)为前驱体通过钙离子交联的方法得到负载有Ag@C₃N₄的水凝胶(SA/Ag@C₃N₄)。通过不同手段表征SA/Ag@C₃N₄的形貌、微观结构和相组成; 以甲基橙为模型物, SA/Ag@C₃N₄的光催化降解速率是Ag@C₃N₄的2.5倍。通过光致发光谱、时间分辨光致发光谱、电子顺磁共振波谱等表征手段对材料的催化机理进行探究。结果显示, 体系中银纳米颗粒表面等离子体共振效应与海藻酸钠水凝胶的多孔结构及传质通道发挥协同效应, 促进了光催化性能的提升。     

Ru单原子负载g-C3N4催化剂的制备及其光催化固氮性能研究

采用固相原位还原法成功合成了负载钌(Ru)单原子的石墨相氮化碳(g-C₃N₄)催化剂。研究结果表明,Ru以单原子形式分散在g-C₃N₄材料表面上,Ru的负载使g-C₃N₄的3-s-三嗪单元结构的有序度降低,通过傅里叶变换红外吸收光谱(FTIR)测试分析可知催化剂中含有氰基,氰基导致了分子结构缺陷。Ru和氰基均为电子受体,可加速光生电子的转移并作为催化活性位点。负载Ru单原子后,g-C₃N₄的光吸收范围变宽,光吸收强度增强,使得Ru单原子负载g-C₃N₄具有良好的光催化活性,光催化固氮效率高达113.23μg·g^-1 cat·h-1,是单相g-C₃N₄催化剂的2.7倍。同时,Ru原子负载的g-C₃N₄还显示出很好的稳定性,经5次循环实验后光催化固氮效率仍能维持在106.75μg·g^-1 cat·h^-1。此外,通过光致发光光谱(PL)、电化学阻抗谱(EIS)等表征手段探究了Ru单原子g-C₃N₄的光催化固氮机理,其中氮气、超纯水和光照是使催化剂发挥光催化固氮作用的必要条件。     

碳纳米球复合g-C3N4提升光催化降解酸性橙Ⅱ性能

基于g-C₃N₄构建的异质结光催化材料在降解有毒有害污染物方面体现出优良的效果。本研究通过水热法制备了一系列不同碳纳米球(Carbon nanospheres,CS)添加量的x-CS/g-C₃N₄ (x=4wt%、5wt%和7wt%)复合光催化剂,以氙灯光源模拟可见光,探究了x-CS/g-C₃N₄对酸性橙Ⅱ的光催化降解性能。结果表明:5wt% CS/g-C₃N₄的光催化活性最高,光催化反应150 min,酸性橙Ⅱ的降解率达到95%。表征结果表明,g-C₃N₄与CS具有类似的π-π共轭结构,易发生π-π堆积相互作用而有利于电子跃迁。二者复合后能有效增强g-C₃N₄对可见光的吸收效率,降低其表面/界面处的电荷转移电阻,显著增强载流子的传输能力。x-CS/g-C₃N₄可作为一种有效的可见光催化剂应用于有机染料降解,具有应用前景。      

g-C3N4/高岭土复合材料的制备及其光催化性能研究

以水洗高岭土为载体, 采用盐酸对g-C₃N₄进行质子化处理, 通过浸渍法制备了g-C₃N₄/高岭土复合光催化材料。采用X射线衍射(XRD)、场发射扫描电镜(FESEM)和紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)等手段对复合材料的晶体结构、微观形貌和光学性能进行了表征, 并以罗丹明B为目标降解物, 研究了复合材料在可见光下的光催化性能。结果表明: 当高岭土和g-C₃N₄的质量配比为6︰3时, g-C₃N₄/高岭土具有较优的光催化性能, 其光催化速率是纯g-C₃N₄的8.62倍; 高岭土和g-C₃N₄通过静电吸引力紧密结合在一起, 该复合结构能够有效地降低光生电子和空穴的复合几率, 改善了纯g-C₃N₄光催化材料的吸附性能, 进而有效提高了其光催化性能。     

g-C3N4/过渡金属硫化物复合材料的结构设计、合成及光催化应用

作为一种无机非金属半导体光催化材料，石墨相氮化碳(g-C₃N₄)由于具有独特的能带结构和晶体结构特征，在环境治理和清洁能源领域受到了广泛的关注。然而单一相g-C₃N₄存在对太阳光的响应范围偏小、比表面积小、反应活性位点少和光生电子-空穴对易复合等问题，限制了其在光催化领域的大规模使用。过渡族金属硫化物具有特殊的能带结构和优异的物理化学性质，在光催化应用中表现出较大的发展潜力。基于光催化材料当前存在的光响应范围窄、光生载流子易于复合导致光催化量子效率低、光生载流子存续时间短和反应活性位不足等问题，研究者们普遍专注于异质结尤其是Z型异质结的构建，以期解决上述问题。本文综述了g-C₃N₄和过渡金属硫化物光催化材料的性能优缺点、结构设计及反应机理等，重点梳理了异质结的构建进展情况，并展望了g-C₃N₄/过渡金属硫化物复合材料的发展前景。     

g-C3N4-Ag/SiO2复合材料光催化降解甲醛的应用

将Ag、薄层石墨相氮化碳（g-C₃N₄）和硅铝胶球（SiO₂）通过液相超声剥离-光化学沉积法-浸渍法合成复合光催化材料。设计甲醛降解密闭实验舱,探究g-C₃N₄、Ag-g-C₃N₄和g-C₃N₄-Ag/SiO₂材料的光催化特性及其对甲醛的降解效果。结果表明,在可见光源条件下,对于g-C₃N₄-Ag/SiO₂材料,降解甲醛的效率最高可达到65.6%。40%的相对湿度可有效提升降解效果。负载30 mg 4%Ag/g-C₃N₄的硅铝胶球循环使用16次时,甲醛降解效率仅下降9.71%。结合材料表征结果表明,通过超声剥离和Ag的引入,提升了材料可见光的吸收强度和吸收范围,并且有效促进了光生电子和空穴的分离,有效提升甲醛分子的降解效率。研究结果表明g-C₃     

WS2/g-C3N4异质结光催化分解水制氢性能及机制

通过溶剂蒸发和二次高温煅烧石墨相碳化氮(g-C₃N₄)纳米片和WS₂纳米片混合物构建WS₂/g-C₃N₄异质结,该异质结保留g-C₃N₄和WS₂主体结构的同时,在界面处形成化学键,确保该异质结的化学稳定性和热稳定性。光催化分解水制氢实验表明,WS₂纳米片含量为3wt%时光催化制氢速率高达68.62 μmol/h,分别是g-C₃N₄纳米片和WS₂纳米片的2.53倍和15.29倍,表明异质结的构建可大幅提升g-C₃N₄的光催化性能,循环实验表明该异质结在5次循环实验后光催化性能没有明显下降,表明该异质结的稳定性较好。光电性能测试表明异质结的构建不仅提高激发电子的转移效率,同时抑制激发电子空穴的复合率,大幅提升激发电子的利用效率,致使光催化分解水制氢速率较g-C₃N₄纳米片和WS₂纳米片大幅提升。      

Ag-P共掺杂石墨相氮化碳及其可见光降解性能研究

以硝酸银为银源、次磷酸钠为磷源、双氢胺为氮化碳前驱体，制备了磷银共掺杂氮化碳(P/Ag-CN)。通过X射线衍射、扫描电镜(SEM)、紫外-可见光分光光度计、荧光光谱、BET对样品进行了结构表征，通过光催化降解亚甲基蓝对其进行了光催化性能分析。结果表明：通过元素掺杂有效地改善了直接热缩聚法所得氮化碳比表面积小、光生电子-空穴复合率高的缺陷。与纯g-C₃N₄相比，P/Ag-CN的形貌由紧密堆积的层状结构转变为类似棉花糖的疏松结构，同时展示出更高的比表面积和更优异的光催化性能。当Ag掺杂量为2.5%、P掺杂量为3.0%时，银磷共掺杂g-C₃N₄的光催化性能最优，可达90.02%,其一阶反应速率常数分别是同等掺杂量时单掺杂样品的5.6倍和3.5倍，是纯g-C₃N₄的7.62倍。     

MOFs自牺牲模板法制备CoNx/g-C3N4纳米材料用作高效光催化还原U(VI)

近年来, 利用石墨氮化碳(g-C₃N₄)光催化法将易溶的U(VI)还原为难溶的U(IV)来清除铀, 已逐渐成为放射性核素研究的热点。本研究将一种含金属钴的金属有机框架材料(MOFs)作为自牺牲模板, 利用简单热共聚法成功合成了含有Co-N_x构型的CoN_x/g-C₃N₄催化剂。在固液比为1.0 g/L、pH 5.0、可见光照射45 min下, 制备的催化剂(w(Co-MOFs) : w(g-C₃N₄)=1 : 1)对50 mg/L的U(VI)标准溶液还原率达到100%。从形貌, 微观结构和光学性能等方面对催化剂进行了表征,结果显示, 引入Co有效拓宽了g-C₃N₄对可见光的吸收范围, 抑制了光生电子与空穴的复合, 从而促进了U(VI)的还原反应。此外, 基于捕获实验深入探究了U(VI)在CoN_x/g-C₃N₄材料表面催化可能的反应机理。研究表明, CoN_x/g-C₃N₄复合光催化剂光学性能优异, 制备方法简单且绿色环保, 对放射性废水中的U(VI)的光催化还原去除效果较好。本工作对后续石墨氮化碳类新型材料的设计、合成与实际应用具有一定的参考作用。     

MOFs/g-C3N4复合光催化剂的研究进展

金属-有机框架材料(MOFs)和石墨相氮化碳(g-C₃N₄)在产氢、CO₂还原、Cr还原以及有机污染物降解方面表现出优异的光催化性能。将MOFs和g-C₃N₄结合构建二元或三元异质结,可以克服两种材料各自的缺点,进一步提高其材料在可见光或太阳光照射下的光催化性能。重点介绍了几种典型MOFs/g-C₃N₄复合材料的制备方法及其光催化性能,并展望了该研究领域发展前景和面临的挑战。     

石墨烯材料/g-C3N4复合光催化剂的构建及光催化性能研究

以石墨相氮化碳(g-C₃N₄)为研究对象,针对其作为光催化剂时存在比表面积小和可见光利用率低等问题进行研究。采用超声辅助合成法,将氧化石墨烯(GO)、还原氧化石墨烯(rGO)分别与g-C₃N₄按一定比例进行复合,通过XRD、SEM、FT-IR、XPS、UV-Vis等表征方法对复合材料进行表征和分析,研究了其在模拟太阳光下对罗丹明B(RhB)的光催化降解性能和降解动力学。实验结果表明,所得GO/CN、rGO/CN复合光催化剂均具有与g-C₃N₄具有相同的相结构和更加疏松多孔的形貌,且石墨烯材料的复合可以提高g-C₃N₄的可见光吸收能力,并使其禁带宽度减小。由可见光光催化性能分析得出,rGO/CN2具有更强的吸附能力,30min时对RhB的吸附率高达64.79%,为同等条件下g-C₃N₄的5.2倍,GO/CN1.5表现出优异的光催化活性,其催化反应速率常数为9.108×10...     

PANI载的孔状g-C3N4的界面聚合法制备与光催化性能研究

在孔状石墨型氮化碳(g-C₃N₄)存在下, 通过苯胺单体的界面聚合成功制备了孔状g-C₃N₄/聚苯胺(PANI)复合催化剂。采用XRD、FTIR、SEM、TGA、UV-Vis和电化学阻抗谱等对样品的结构、形貌、性能以及可见光催化降解亚甲基蓝的催化活性进行表征。结果表明: PANI组装在孔状g-C₃N₄片上, 此种复合结构不仅利于孔状g-C₃N₄对PANI链段运动的限制, 提高孔状g-C₃N₄/PANI复合催化剂的稳定性; 而且增强材料的可见光利用率、氧化能力和电子输运性能, 利于可见光催化性能的改善。