g-C3N4基S型异质结的构建及其光催化性能研究

为了解决日益严重的环境污染和能源短缺等问题,基于半导体的光催化技术利用太阳能为环境修复和能源储存提供了一种“绿色”可持续的方案。首先介绍了g-C₃N₄的优点和局限性,以及S型半导体的优势与不足,接着介绍了g-C₃N₄基S型异质结的电子结构和光催化性质,综述了基于不同类型g-C₃N₄的S型异质结光催化材料构建和光催化性能的提升策略,并梳理了其部分应用。最后,综述了基于g-C₃N₄的S型异质结面临的挑战和未来发展趋势,有望为g-C₃N₄基S型异质结光催化材料的开发和实际应用提供重要的参考。     

g-C3N4及改性g-C3N4的光催化研究进展

聚合型半导体材料g-C3N4因其优异的物理性能和光电性能成为当今研究的热门材料。本文从结构分析和理论计算角度讨论了g-C3N4能够作为无金属催化剂的原因,综述了介孔g-C3N4、无机元素掺杂g-C3N4、金属负载g-C3N4、g-C3N4/金属氧化物复合物和有机改性g-C3N4等不同改性g-C3N4的制备和性质,着重分析了他们催化光解水析氢反应的机理、影响因素及研究进展,并阐述了今后的研究方向。     

p-n异质结BiVO4/g-C3N4光阳极的制备及其光电化学水解性能

钒酸铋(BVO)可用于光电化学(PEC)水解产氢,但受限于其缓慢的表面水氧化动力学,在电极表面修饰单一的析氧助催化剂达不到理想的性能。本工作在BVO电极表面修饰FeNiO_x助催化剂可以显著降低起始电压,增强光电化学性能。此外,沉积g-C₃N₄后修饰FeNiO_x助催化剂得到的光电极具有更优异的性能。厚度适合的g-C₃N₄纳米片与BVO构成Ⅱ型p-n异质结,有效抑制了光生电子空穴的复合,促进了电极的电荷分离。电化学测试结果表明,沉积了g-C₃N₄后,电极的电荷分离效率达到88.2%,比BVO/FeNiO_x (60.6%)提升了近1.5倍。经过g-C₃N₄和FeNiO_x协同修饰的BVO/g-C₃N₄/Fe Ni O_x电极,表面电荷注入效率达到了90.2%,同时,在1....     

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。      

g-C3N4/POPs异质结制备及其可见光催化性能

光催化技术是一种极具应用前景的环境修复技术,开发高效、稳定、具有可见光响应的光催化剂是其研究的重点之一。本文采用常压溶剂热法,以1, 3, 5-三(4-氨基苯基)苯(TAPB)和2, 5-二甲氧基苯-1, 4二甲醛(DMTP)为单体合成的共轭多孔有机聚合物TAPB-DMTP POP为基底,原位负载不同比例的g-C₃N₄,制备g-C₃N₄/POPs复合光催化剂。通过XRD、FTIR、BET、TGA、UV-Vis DRS、电流-时间(i-t)和EIS等测试方法表征了g-C₃N₄/POPs的化学结构与光学特性。在可见光条件下,选择Cr(Ⅵ)为模型污染物探究了不同gC₃N₄负载量的g-C₃N₄/POPs光催化还原效率,并对pH值、催化剂用量和底物浓度等影响因素进一步探究。结果表明：在pH=2条件下,g-C₃N₄/POP-2表现出了最佳...     

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。     

g-C3N4/BiOCl复合材料的制备及其光催化性能研究

高温缩聚法合成g-C₃N₄和水热法制备的BiOCl,在室温下通过简单的物理搅拌使片层状g-C₃N₄附着在菊花状的BiOCl上,控制g-C₃N₄的质量分数分别为5%、10%、15%、20%和25%,合成g-C₃N₄/BiOCl复合光催化剂。通过扫描电镜(SEM)、EDS能谱和BET比表面表征方法,揭示了g-C₃N₄/BiOCl复合光催化剂的微观结构;紫外-可见光(UV-Vis)结果显示g-C₃N₄/BiOCl可将光吸收范围延伸到可见光范围,其中BiOCl/CN-10具有更窄的禁带宽度;荧光光谱(PL)证实BiOCl/CN-10抑制光生载流子的复合能力最强;同时对g-C₃N₄/BiOCl降解染料废水罗丹明B(RhB)、亚甲基蓝(MB)和甲基橙(MO)的光催化能力进行了评估,结果表明g-C...     

Z型BiVO4/GO/g-C3N4复合材料的制备及其可见光下催化性能

Z-型光催化剂可以有效增强电荷分离, 从而改善光催化剂的活性。采用浸渍-煅烧和水热法两步制备Z型BiVO₄/GO/g-C₃N₄光催化剂, 并用不同手段对其进行表征。在BiVO₄/GO/g-C₃N₄的光催化过程中, GO纳米片作为BiVO₄和g-C₃N₄之间的快速传输通道, 可以抑制电子-空穴复合, 显著促进电荷分离, 提高三元异质结的氧化还原能力。与单组分或二元复合物相比, 该催化剂具有良好的光降解罗丹明B(RhB)的能力。在可见光照射下, 它能够在120 min内降解85% RhB, 空穴(h⁺)在反应中起主要作用。该工作为三元光催化剂体系提供了简单的制备方法, 其中g-C₃N₄通过GO与BiVO₄偶联, 光催化活性显著提高。     

Z型Ag3PO4基异质结光催化复合材料研究进展

在半导体光催化材料中,磷酸银(Ag₃PO₄)表现出优异的光催化活性。Ag₃PO₄与其他物质复合形成Z型Ag₃PO₄基异质结时,能够显著增强光催化活性及其稳定性并扩宽可见光响应范围,弥补Ag₃PO₄的易光腐蚀、颗粒尺寸较大等缺点。围绕Z型Ag₃PO₄基异质结光催化复合材料的研究现状、制备方法、微观结构与组成、性能分析和应用进行阐述,最后对该材料未来的发展趋势进行了展望。     

硅藻土/g-C3N4/氧化石墨烯复合材料的制备及其光催化性能研究

采用半封闭一步热解方法,以三聚氰胺为前驱物制备g-C₃N₄,然后以圆筒状硅藻土(DE)为载体,合成DE/g-C₃N₄复合材料。并选取天然鳞片石墨为基本原料,运用Hummers法合成了氧化石墨烯(GO),在一定量的DE/g-C₃N₄粉末中加入不同质量分数的GO,得到DE/g-C₃N₄/GO三元复合光催化材料。通过SEM、BET、EDS、XRD、FT-IR对样品的晶体结构、形貌等进行表征,研究复合材料对罗丹明B溶液的光催化降解性能。结果表明,当GO的烯掺量为5%时,DE/g-C₃N₄/GO在可见光下,120min时,对RhB的降解率为93.74%,分别比DE/g-C₃N₄和g-C₃N₄提高了15.05%和31.03%。     

纳米BiVO4/BaTiO3复合材料光催化降解性能

通过混合烧结法将BiVO₄与BaTiO₃复合获得BiVO₄/BaTiO₃复合光催化剂。采用XRD和FTIR分析了产物的物相,可知,BiVO₄/BaTiO₃复合材料中仅含有BiVO₄和BaTiO₃,无杂相生成。TEM观察发现,粒径约为55 nm的纳米BaTiO₃颗粒较好地附着在平均颗粒尺寸为~400 nm的BiVO₄颗粒表面,形成异质结构。选用酸性橙7（AO7）作为反应物模型,以模拟太阳光作为光源,研究了BiVO₄/BaTiO₃复合材料的光催化降解性能。结果表明:与BaTiO₃相比,BiVO₄/BaTiO₃复合材料的光催化降解活性显著提高;当BiVO₄的含量为8wt%时,BiVO₄/BaTiO₃复合材料的光催化效果最佳,光照6 h染料的降解率可达~68%,为BaTiO₃的1.9倍。BiVO₄/BaTiO₃复合材料的光催化性能较为稳定,循环使用3次后AO7的降解率仍有~62%。催化机制分析说明,BaTiO₃与BiVO₄复合后,光生电子和空穴能够向对方迁移,促进了光生电荷的分离,有利于光催化效率的提高。      

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。     

基于Ⅱ型和Z型Ag3PO4基异质结光催化材料的研究进展

太阳能光催化技术在环境污染治理方面表现出了广阔的应用前景.磷酸银(Ag3PO4)因具有高量子效率、无毒、禁带宽度小等优点,逐渐成为光催化领域的研究热点.然而纯Ag3 PO4在光催化过程中易发生光腐蚀、稳定性较差,这严重限制了其实际应用.主要介绍了基于Ⅱ型和Z型Ag3 PO4基异质结光催化材料的类型、制备方法、结构特点及...     

可磁分离Fe3O4/g-C3N4复合材料的制备及其性能

为了利用Fe₃O₄的磁响应性及石墨相C₃N₄（g-C₃N₄）优良的光催化活性,首先采用高温热聚合法,以尿素为前驱体制备g-C₃N₄,然后采用水热法合成了可磁分离Fe₃O₄/g-C₃N₄复合材料。利用TEM、XRD、TGA、BET和振动样品磁强计（VSM）等多种测试手段表征分析Fe₃O₄/g-C₃N₄复合材料的形貌、晶型结构、比表面积、成分、饱和磁化强度等。通过模拟太阳光下Fe₃O₄/g-C₃N₄复合材料光催化吸附降解亚甲基蓝（MB）的实验,评价了Fe₃O₄/g-C₃N₄复合材料的吸附性能及光催化性能。结果表明,可磁分离Fe₃O₄/g-C₃N₄复合材料具有较大的比表面积,约为71.89 m²/g;且具有较好的磁性,饱和磁化强度为18.79 emu/g,可实现复合材料的分离回收;光照240 min时,Fe₃O₄/g-C₃N₄复合材料对MB的去除率为56.54%。所制备的Fe₃O₄/g-C₃N₄复合材料具有优良的吸附性能、光催化活性和磁性,并可通过外加磁场进行分离与回收。     

基于g-C3N4异质结复合材料光催化降解污染物的研究进展

随着现代工业的迅速发展,向环境中排放的有机物及重金属污染物与日俱增,光催化降解法是一种清洁、高效、低成本的处理手段。作为新兴非金属可见光驱动催化剂的g-C_3N_4具有廉价易得、无毒无害等优点,但存在可见光响应范围较窄、光生电子-空穴对复合率较高等明显问题,导致量子产率低,光催化效率不高。研究发现,部分金属硫化物、金属氧化物以及三元化合物等不同类型的半导体能够与g-C_3N_4形成异质结构,通过调控半导体的形貌能够在不同程度上与g-C_3N_4构成良好的晶格匹配,这有利于电子在两种或多种半导体之间传输。通过构建异质结构能够有效地降低带隙宽度,拓宽光响应范围,减小光生电子-空穴复合率,提高光催化效率。本文分类讲述了近几年常用的基于g-C_3N_4的复合半导体材料,它们都不同程度地实现了电子与空穴对的良好分离,有效地消除了各类有机物及重金属的污染,是具有应用价值的光催化剂候选者。     

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。      

TiHAP@g-C3N4异质结的制备及光催化降解甲基橙

通过水热法合成了钛羟基磷灰石(TiHAP)与g-C₃N₄复合光催化剂(TiHAP@g-C₃N₄),并对其结构和光学特性进行表征,通过甲基橙(MO)降解实验评价其光催化活性。结果表明：样品中短棒状TiHAP生长在g-C₃N₄表面,均保持原有晶型和化学结构;制备的TiHAP@g-C₃N₄纯度高,比表面积达107.92 m²/g,较TiHAP、g-C₃N₄分别增大约135%、44%;在TiHAP@g-C₃N₄添加量为1.0 g/L、pH 7条件下,120 min内MO降解率达96.35%;3次循环实验降解率保持在80.02%以上,TiHAP@g-C₃N₄光催化性能良好且结构稳定。空穴(h⁺)在MO降解过程中作用最大,·O₂<...     

3D花状MoS2/O-g-C3N4 Z型异质结增强光催化剂降解双酚A

光催化降解是一种很有应用前景的污染物处理方法。采用溶剂热法制备了3D/2D二硫化钼负载氧掺杂石墨相氮化碳(MoS₂/O-g-C₃N₄)复合材料,通过XRD、XPS、SEM、TEM、FTIR和PL等表征了MoS₂与O-g-C₃N₄之间Z型异质结的成功构建。在模拟太阳光下,当MoS₂的负载量为0.2%时,MoS₂/O-g-C₃N₄的光催化活性最高,双酚A (BPA)的降解率为92.6%,是纯g-C₃N₄的7倍。此外,MoS₂和O-g-C₃N₄之间界面的紧密接触和相互的协同效应,显著增强了光催化反应活性位点和可见光吸收能力,有效提高了光生载流子的分离。根据液相质谱联用仪(LC-MS)和自由基捕获实验,提出了0.2%MoS₂/O-g-C_3...     

MoS2/g-C3N4 S型异质结的构建及光催化性能研究

制备高效稳定的光催化剂对于光催化技术的发展至关重要。本研究采用超声辅助沉积加低温煅烧的方法制备了2H相MoS₂/g-C₃N₄ S型异质结光催化剂(MGCD),并综合考察了材料的相结构、微观形貌、光吸收性能、X射线光电子能谱、电化学交流阻抗和光电流等对光催化性能的影响。结果表明:经过超声辅助沉积-煅烧处理,MoS₂微米球发生破碎分散结合在g-C₃N₄纳米片层表面上并形成异质结。可见光下5%MGCD(添加5%MoS₂)对罗丹明B(RhB)在20 min时的降解率达到了99%,且样品重复使用5次后对Rh B的降解率仍能达到95.2%,表现出良好的光催化性能及稳定性。从内建电场形成的角度进一步分析表明,异质结中MoS₂与g-C₃N₄间耦合形成的内建电场引起的能带弯曲可以有效引导载流子的定向迁移,并促进光生载流子的分离,从而提高了光催化反应效率。异质结光催化剂的自由基捕获实验表明...