g-C_3N_4光催化剂的制备及改性研究进展

作为一种可见光响应的半导体聚合物光催化剂,石墨相氮化碳(g-C_3N_4)在抑制环境污染和解决能源短缺方面具有广阔的应用前景。然而,传统方法合成的g-C_3N_4光催化剂比表面积小、禁带宽度大、光生电子-空穴易于复合,抑制了其光催化活性,需要对其进行改性来提高光催化能力。在介绍g-C_3N_4的制备方法的基础上,综述了g-C_3N_4在元素掺杂、构建有效晶面复合的异质结或纳米复合物及构建等离子体等光催化剂改性方面的研究进展。     

类石墨相氮化碳的复合研究进展

类石墨相氮化碳(g-C_3N_4)是一种可见光响应的有机聚合物半导体催化材料,因比表面积小和吸附性能差等缺点限制了其实际应用。对g-C_3N_4的各种掺杂、复合、负载等改性研究一直是材料化学研究领域的热点之一,分类总结了近几年国内外文献报道的关于g-C_3N_4多孔材料负载、与半导体材料形成同型或异型异质结复合物等研究,以探讨g-C_3N_4今后的改性研究方向。     

构建MoS2/Fe-g-C3N4异质结催化剂以促进其可见光催化产氢性能

以g-C_3N_4为基底,通过掺杂Fe元素,复合MoS_2的方法制备了具有多孔异质结结构的MoS_2/Fe-g-C_3N_4半导体材料,并测量了其光解水产氢性能,发现MoS_2含量为3%(以g-C_3N_4的质量为基准,下同)时,MoS_2/Fe-g-C_3N_4的光催化性能优异,其产氢速率达到48.2μmol/h,为g-C_3N_4的5.48倍。利用XRD、FTIR、SEM、TEM、XPS表征了催化剂的物化性质;利用PL、UV-Vis等方法表征了催化剂的光学性质。结果发现,Fe元素的掺杂使g-C_3N_4结晶度降低,并呈现一种交叉孔道结构,极大增加了催化剂的比表面积。同时,MoS_2可以与g-C_3N_4形成异质结结构,提高了MoS_2/Fe-g-C_3N_4的可见光吸收率以及光生电子-空穴对的分离效率,从而有效提高了MoS_2/Fe-g-C_3N_4光解水产氢的能力。     

g-C3N4同型异质结复合光催化剂的制备及性能研究

石墨相氮化碳(g-C_3N_4)由于其合适的带隙和较高的物理化学稳定性等,被认为是一种有应用前景的光催化材料。然而,纯相g-C_3N_4的光催化性能和应用受到光生电子空穴易复合和比表面积相对较低等原因的限制。本文使用两种合适的前驱体(三聚硫氰酸与硫脲)共聚合有望优化高温煅烧过程中的缩聚过程,抑制团聚的发生,提高比表面积,同时形成的同型异质结能有效抑制光生载流子的再复合。在可见光照射下,形成的g-C_3N_4同型异质结复合光催化剂的活性明显高于单一的g-C_3N_4样品。显著增强的光催化活性主要归因于比表面积增大、活性位点增多和光生载流子再复合的有效抑制。     

改性g-C_3N_4在光催化领域的研究进展

介绍了石墨相氮化碳(g-C_3N_4)的电子性质、能带结构以及光学性质,讨论了各种提高g-C_3N_4活性的重要方法、机理及其优缺点,主要有掺杂改性、表面形貌改性、半导体复合改性等手段,简述了目前g-C_3N_4存在比表面积小、载流体复合率高、电子传递速度低等问题,并对g-C_3N_4的未来发展趋势进行了展望。     

g-C_3N_4光催化纳米材料的改性研究进展

类石墨相氮化碳(g-C_3N_4)分子结构独特,禁带宽度(2.7 e V)较窄,可吸收可见光,是一种很有潜力的光催化纳米材料。本文介绍了g-C_3N_4光催化剂的性能改进方法:结构改性、元素掺杂改性、半导体耦合改性和染料敏化改性,并简单预测其发展趋势。     

g-C_3N_4复合光催化剂

聚合物类石墨相氮化碳(g-C_3N_4)的独特结构赋予其优良的光催化性能,成为当今研究的热点。g-C_3N_4制备方法简单,原料便宜易得,可作为廉价、稳定、不含金属的可见光光催化剂被广泛应用于催化污染物分解、水解制氢制氧,有机合成及氧气还原。实际应用中,g-C_3N_4光生电荷难分离,科研工作者开发了多种改进方法。本文针对提高g-C_3N_4光催化活性,综述了国内外关于与Ti O2复合改性、与共轭结构石墨烯材料复合改性及等离子共振催化剂复合改性方面的重要研究进展。     

硫酸胍制备多孔石墨型氮化碳及其光催化降解苯酚

为了增加比表面积和提高催化活性,一种无毒和易得的前驱体硫酸胍被首次用于制备石墨型氮化碳(g-C_3N_4)。用X射线粉末衍射、红外光谱、扫描电镜、透射电镜、N_2吸附-脱附、光电子能谱、紫外-可见光吸收光谱和荧光光谱对所得多孔g-C_3N_4进行表征。与由三聚氰胺为前驱体制备的体相g-C_3N_4相比,硫酸胍为前驱体制备的多孔g-C_3N_4具有更高的比表面积、发达的孔结构和较好的光电性能。以光催化降解苯酚为模型反应考察催化剂性能,结果表明,所得多孔g-C_3N_4的催化活性明显高于体相g-C_3N_4。优异的光催化性能和简单的合成方法使硫酸胍制备的多孔g-C_3N_4可广泛用于环境和能源领域。     

高效复合可见光催化剂Co-C_3N_4的制备及光催化性能研究

以六水合氯化钴与三聚氰胺为前驱体,经改良制备方法获得一种高效率复合可见光催化剂Co-C_3N_4。通过XRD、XPS和TEM等对该催化剂的表面性质进行了表征分析。并以染料罗丹明B为模拟污染物进行了可见光催化降解研究,系统地研究了Co掺杂量对光催化速率的影响,对相关的光催化剂氧化机理进行了推理。结果表明,m(Fe)∶m(g-C_3N_4)=1%时,制备的Co掺杂g-C_3N_4表现出最佳的光催化性能,45min内罗丹明B的降解率高达95.7%。Co的掺杂是以二价阳离子形式结合于C_3N_4的表面,形成了全新的异质结结构。异质结的形成降低了C_3N_4晶体的带隙能,提高了C3N4对可见光的吸收,抑制了光生电子空穴对的复合,从而提高了C_3N_4的光催化性能。     

加热温度对尿素水溶液制备类石墨相氮化碳的影响及其机理

石墨相氮化碳(g-C_3N_4)由于其优异的化学稳定性和独特的电子能带结构被认为是一种廉价且极具潜力的光催化剂,然而传统方法制备的g-C_3N_4存在比表面积小、光生电子–空穴复合严重及剥离效率低等问题。采用尿素溶于一定量的水中,通过控制一定的升温速率及加热温度制备性能优异的g-C_3N_4。结果表明,在水中450~500℃裂解尿素可获得疏松多孔、类石墨相的g-C_3N_4纳米片,在500℃时获得的g-C_3N_4具有较多的纳米孔隙及较大的比表面积;550℃时孔隙消失,且g-C_3N_4的带隙能随着加热温度升高逐渐降低。光催化结果表明,随水中裂解尿素温度升高,制备的g-C_3N_4在可见光下对罗丹明B的降解率先增大后减小,500℃时降解率最高,达到75.5%,且明显好于500℃时直接加热尿素制备g-C_3N_4的降解率(24.1%)。多孔、少层且高比表面积的类石墨烯微观结构是500℃下获得多孔g-C_3N_4样品较高的光催化活性的主要原因,h+和·O_2–是参与降解反应的主要活性基团。     

Cu~(2+)掺杂g-C_3N_4光催化降解甲基橙研究

g-C_3N_4是很有前景的非金属光催化剂之一,但其存在光生电子-空穴复合较严重、光催化效率较低等缺点,严重影响了g-C_3N_4在光催化领域内的应用,对其改性,提高光催化效率,就变得尤为迫切。利用微波合成法将Cu~(2+)掺杂于g-C_3N_4中制备Cu~(2+)/g-C_3N_4,并采用X射线衍射分析、X射线光电子能谱、紫外-可见漫反射光谱、红外光谱、比表面吸附等对其进行了表征,并选用偶氮染料甲基橙为目标污染物来衡量Cu~(2+)/g-C_3N_4降解有机污染物的能力。结果发现,微波合成法成功将Cu~(2+)掺杂于g-C_3N_4中,用Cu~(2+)/g-C_3N_4做光催化剂经过6h反应后,对MO降解率提高14%,达到86%,说明Cu~(2+)掺杂g-C_3N_4确实能提高氮化碳降解有机污染物的能力,具有潜在的应用价值。     

g-C_3N_4纳米片的制备及光催化抗菌性能研究

采用液相超声法成功地将体相g-C_3N_4剥离为g-C_3N_4纳米片。通过XRD、FT-IR、TEM、BET和瞬态光电流对样品的性质进行表征,并研究g-C_3N_4纳米片光催化杀灭大肠杆菌(E.coli)和金黄色葡萄球菌(S.aureus)的活性。结果表明,将体相g-C_3N_4剥离为g-C_3N_4纳米片并没有改变分子结构,但g-C_3N_4纳米片光催化杀灭E.coli和S.aureus的活性均优于体相gC_3N_4。g-C_3N_4纳米片的超薄二维结构具有大的比表面积,是体相g-C_3N_4的6.97倍,同时有效地促进了光生电子和空穴的分离,两方面的协同作用下,g-C_3N_4纳米片表现出优异的光催化抗菌活性。     

g-C_3N_4/TiO_2复合光催化剂制备及活性研究

光催化技术可直接利用太阳光实现有机污染物的深度降解,传统光催化剂二氧化钛存在可见光转换效率低,光生电子-空穴对容易复合等缺点。采用简单的化学法制备了二维纳米片层石墨相氮化碳(g-C_3N_4)包覆二氧化钛纳米粒子复合光催化剂(g-C_3N_4/TiO_2),利用XRD、UV-Vis、SEM、PL等手段对光催化剂的结构性能进行了表征,并考察了复合材料在紫外、可见光下降解亚甲基蓝(MB)、苯酚及双酚A的性能。研究结果表明:二维纳米片层g-C_3N_4的引入可以实现复合材料对可见光的吸收利用,并且可以极大地提高光生电子空穴在界面处的分离效率。在紫外光照射20 min后,5%g-C_3N_4/TiO_2复合物对染料亚甲基蓝(MB)的降解率高达90%,并且在重复使用5次之后仍具有较高的光催化性能。     

硬模板法制备聚合物半导体氮化碳

聚合物半导体石墨相氮化碳(g-C_3N_4),作为一种非金属可见光光催化剂,在太阳能转化和环境保护方面有着巨大的潜在应用。由于其具有高物理化学稳定性及独特的光捕获性能,可以直接将低密度的太阳能转化为高密度的化学能,或直接降解有机污染物,因此,g-C_3N_4制备和性能的研究引起了国内外研究人员的广泛关注。研究表明,用不同方法和化学工艺对氮化碳在结构上进行改进,可以获得新的理化性质,提高氮化碳的光催化效率,筛选出在特定反应下高效率的氮化碳结构。硬模板法制备g-C_3N_4纳米材料,可以有效地提高其表面积,促进光捕获和光生电子传递,进一步提高光催化效率。今对硬模板法制备氮化碳及研究现状进行了详细介绍,同时对g-C_3N_4光催化剂的发展趋势进行了展望。     

窄带隙半导体耦合Bi_2S_3/g-C_3N_4催化剂制备及光催化性能

利用原位生成法,制备了Bi_2S_3含量可调的Bi_2S_3/g-C_3N_4复合材料。通过X-射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)、光致发光光谱(PL)、时间分辨荧光衰减光谱等手段对制备的光催化剂物相、形貌、结构和性能进行表征分析。可见光照射下,以罗丹明B(Rh B)为降解模型评价Bi_2S_3/g-C_3N_4复合材料的催化性能。结果表明:Bi_2S_3沉积在g-C_3N_4表面,显著增强g-C_3N_4的可见光催化性能,并随着Bi_2S_3含量不同,复合光催化剂Bi_2S_3/g-C_3N_4的催化性能发生变化,其中Bi_2S_3质量分数为5%时表现出最佳的可见光催化活性。利用捕获剂、NBT转化确定h+是主要的活性物种,O_2~-·是次要活性物种。对Bi_2S_3/g-C_3N_4光催化活性增强机理进行研究,Bi_2S_3的加入显著增强g-C_3N_4对可见光的吸收,并与g-C_3N_4之间形成异质结,促进光生电子空穴的有效分离,延长载流子寿命,显著增强g-C_3N_4光催化性能。     

超声调控Ag/g-C_3N_4复合材料及光催化性能研究

通过固相加热制备g-C_3N_4,超声调控获得片层状g-C_3N_4,光照Ag NO3与g-C_3N_4成功制备了Ag/gC_3N_4复合光催化材料。利用X射线衍射仪(XRD)以及扫描电子显微镜(SEM)分析产物的物相和形貌,采用紫外-可见吸收光谱表征样品的光学性能。以罗丹明B为模拟污染物,评价超声样品Ag/g-C_3N_4的可见光(λ≥420nm)催化性能。实验结果表明,与纯g-C_3N_4相比,超声的Ag/g-C_3N_4复合光催化材料在可见光下降解罗丹明B的光催化活性最好。分析表明Ag与g-C_3N_4的协同作用抑制光生电子-空穴的复合是可见光催化活性增强的主要原因。     

g-C_3N_4/TiO_2光催化剂的制备及其性能研究

以三聚氰胺和工业偏钛酸为原料,制备g-C_3N_4/Ti O_2复合催化剂,以NOx为目标反应物,评价LED光照下,工业偏钛酸与三聚氰胺质量比、锻烧时间和锻烧温度对该复合物光催化性能的影响。用X射线衍射(XRD)、N_2-物理吸附(N_2-BET)、傅里叶红外光谱(FT-IR)、紫外-可见光漫反射吸收光谱(UV-Vis/DRS)和荧光光谱等对催化剂进行结构表征。结果表明:制备的g-C_3N_4/Ti O_2复合物禁带宽度降低到2.42 e V,在紫外和可见光范围均表现较强的吸收,比表面积增大,光生电子和空穴复合率降低,且当锻烧温度为500℃、锻烧时间为1.0 h、偏钛酸与三聚氰胺的质量比为1∶2时,复合催化剂的可见光活性最高,30 min内对NOx的去除率为51.30%,比纯g-C_3N_4提高21.72%。     

g-C_3N_4基复合纳米材料光催化性能研究进展

g-C_3N_4可见光利用率高,具有非常好的光催化性能,是一种新型的无金属半导体光催化材料,然而电导率低,易团聚,光生载流子容易复合限制了其在实际生产中的应用。为进一步提高g-C_3N_4基复合材料的光催化性能,研究者做了大量修饰工作,并取得显著成果。本文主要从半导体材料耦合(细分为原子层沉积法和三元纳米材料复合)、贵金属修饰和量子点敏化三个方面概括了近年来对g-C_3N_4的修饰改性工作,探究了g-C_3N_4基复合材料在光催化降解有机污染物、光解水制氢、催化"记忆"效应和降解重金属等不同领域方面取得的成效。指出g-C_3N_4基复合材料发展面临的问题,最后对g-C_3N_4基复合材料未来的发展提出了展望。     

g-C_3N_4/BiFeO_3复合可见光催化剂的制备及其光催化性能

采用微波溶剂热法和简单的固相热分解反应成功制备了g-C_3N_4/BiFeO_3/BiFeO_3复合可见光催化剂,利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射光谱仪(XRD)、傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)和紫外可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)等技术对所制备的催化剂进行了表征。结果显示,复合可见光催化剂保持BiFeO_3的钙钛矿结构,g-C_3N_4/BiFeO_3只是复合在BiFeO_3的表面,没有改变BiFeO_3的晶体结构;UV-Vis DRS测试显示,g-C_3N_4/BiFeO_3/BiFeO_3的吸收带边发生了红移,可见光吸收能力得到提升。g-C_3N_4/BiFeO_3和BiFeO_3形成的异质结结构,很好地抑制了光生电子-空穴对的复合率;以罗丹明B为目标降解物,研究了催化剂的可见光催化性能。结果表明,g-C_3N_4/BiFeO_3和BiFeO_3的复合可以显著地提高催化剂的可见光催化活性;在g-C_3N_4/BiFeO_3的掺入量为15%时,g-C_3N_4/BiFeO_3/BiFeO_3对罗丹明B的可见光催化降解率可以达到93.62%。     

Fe~(3+)/g-C_3N_4光催化水制氢研究

g-C_3N_4是较为理想的非金属光催化剂之一,但其存在光生电子-空穴复合严重、光催化效率低下等缺点,严重影响了g-C_3N_4在光催化和能源领域内的应用,对其改性,提高光催化效率,就变得尤为迫切。通过高温法将混有Fe~(3+)的g-C_3N_4再次热处理制备Fe~(3+)/g-C_3N_4,并采用X射线衍射分析、X射线光电子能谱、紫外-可见漫反射光谱等对其进行了表征,并以Fe~(3+)/g-C_3N_4为催化剂光解水制氢。结果发现,该法成功制取了Fe~(3+)/g-C_3N_4,其产氢效率较g-C_3N_4提高2倍,达到158.1μmol/(g·h),说明Fe~(3+)掺杂g-C_3N_4能有效地提高氮化碳光催化制氢能力,具有潜在的应用价值。