石墨相氮化碳的制備及在光催化領(lǐng)域應(yīng)用的研究

劉可凡　霍原非　唐新峰

摘要 石墨相氮化碳（ g-C3N4）因其制備工藝簡單、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、價格低廉、對可見光響應(yīng)性能優(yōu)異等特點，得到眾多研究者的青睞，被廣泛應(yīng)用于光催化領(lǐng)域中。本文綜述了石墨相氮化碳的制備方法、光催化機制和其應(yīng)用，總結(jié)了石墨相氮化碳的發(fā)展現(xiàn)況，并且對其進行了展望。

關(guān)鍵詞 石墨相氮化碳;光催化;制備方法;技術(shù)應(yīng)用;前景展望

石墨相氮化碳（ g-C3N4）具有熱力學下最穩(wěn)定的相，同時具有類石墨層狀結(jié)構(gòu)[1]，從而更易制得較大比表面積的g-C3N4，其光催化性能相對更加優(yōu)異。

本文從g-C3N4的制備、光催化機制及應(yīng)用等方面，綜述了g-C3N4在光催化領(lǐng)域中的研究進展，并且對其進行了展望。

1.制備方法

1.1.模板法

模板法適合絕大多數(shù)納米結(jié)構(gòu)的制造，并且可以在一定程度上有效提高g-C3N4的比表面積，分為硬模板法和軟模板法兩種，其思路都是將孔徑可調(diào)的納米結(jié)構(gòu)加入到氮化碳的結(jié)構(gòu)中，提高g-C3N4的比表面積。

硬模板法主要是采用有序的硅基材料或二氧化硅納米顆粒作為模板，和含氮前驅(qū)體混合后高溫焙燒，最后用氫氟酸或氫氧化鈉刻蝕去除二氧化硅。這種方法獲得的g-C3N4空隙較多，孔徑較大，比表面積也較大，其內(nèi)部的空隙中便可進行光催化反應(yīng)，又因其自身化學性能穩(wěn)定，光催化效果很好。

軟模板法主要利用表面活性劑自組裝法[2]。雖然這種方法工藝簡單，周期較短，但因模板在焙燒時容易分解并未得到進一步的推廣使用。

1.2熱聚合法

熱聚合法，也稱縮聚法，是傳統(tǒng)制備g-C3N4的首選方法，該方法主要通過升溫令前驅(qū)體發(fā)生縮聚反應(yīng)來獲得g-C3N4。這種方法雖然制得的g-C3N4比表面積較小，但是操作簡單、易控制，是規(guī)?；a(chǎn)g-C3N4的首選途徑。

1.3超分子自組裝法

超分子自組裝法主要通過前驅(qū)體分子間的弱相互作用（范德華力、氫鍵等）自發(fā)地生成有序的超分子組裝體，再通過高溫聚合獲得g-C3N4[2]。這種方法使其納米結(jié)構(gòu)更加完整，對可見光的吸收性能更強，電子和空穴的復合率更低，催化性能好值得研究者對其進行更深一步的探究。

2.光催化機制

g-C3N4的禁帶寬度較窄，在光的照射下，其吸收光子的能量大于等于禁帶寬度時，電子從價帶躍遷至導帶上，同時在價帶上形成空穴，之后，二者會遷移至其表面，參與氧化還原反應(yīng)[3]。其中，光生電子會和g-C3N4周圍的02或者H20反應(yīng)生成02，空穴則會與g-C3N4周圍的OH或者H2O反應(yīng)生成羥基自由基，而羥基自由基具有非常強的氧化性，這使得反應(yīng)的活化能有效降低，反應(yīng)更容易進行，從而提高了反應(yīng)的速率。

3.光催化應(yīng)用

3.1光催化分解CO，

自第一次工業(yè)革命以來，人類對化石燃料的使用日益增加，C02的排放量也逐漸增大。Wang[4]以硫脲為前驅(qū)體制備了摻硫的g-C3N4，可將C02氣體轉(zhuǎn)化為甲醇，在降低空氣中C02含量的同時制備了新的能源物質(zhì)。

3.2光催化制氫

隨著人類對于能源的需求的日益增加，氫氣作為一種理想的能源，十分符合人類的需要，而g-C3N4則具有良好的光催化制取氫氣的能力。g-C3N4吸收可見光所產(chǎn)生的光生電子和空穴會遷移至其表面，并會在表面活性位點處發(fā)生反應(yīng)。其中，光生電子會與水反應(yīng)生成氫氣，空穴則會被消耗，這提高了g-C3N4光催化制氫的速率。

3.3光催化降解污染物

如今，各種有害的化學物質(zhì)被排入水中，嚴重威脅著地球上生物的安全。如何有效地將水中的污染物降解為無毒害物質(zhì)，是如今世界的一個難題。g-C3N4可以利用其吸收可見光后產(chǎn)生的光生電子和空穴將水中的有害的高分子有機物分解為小分子，從而凈化水資源。

4.總結(jié)與展望

石墨相氮化碳因其成本低廉、工藝簡單、催化效率較高、應(yīng)用范圍較廣等特點成為光催化領(lǐng)域中一個不可或缺的研究熱點。然而其仍然存在許多不足之處需要進行進一步的改善：1.大多制備方法都要在高溫下進行，而g-C3N4在超過600℃時會分解，降低其產(chǎn)率。2.難以控制合成出少層或者單層的g-C3N4，產(chǎn)品的比表面積依舊較小。3.g-C3N4主要吸收的是藍紫光，而對其他可見光的吸收較少，其對光的能量利用效率還有待進一步地提高。然而繼續(xù)改進制備工藝、引入其他物質(zhì)對g-C3N4進行改性，有望使g-C3N4領(lǐng)域獲得空前的發(fā)展。

參考文獻

[1]Kroke E，Schwarz M，Horathbordon E， et al. Tris-triazine derivatives. Part I.From trichloro-tri-striazine to graphitic C3N4 structures[J].New Journal ofChemistry， 2002， 26 （5）：508-512.

[2]李倫，宋金玲，王寶英，段成林.石墨相氮化碳的研究進展[J].內(nèi)蒙古科技大學學報，2017，36 （04）：377-382.

[3]李佳.石墨相氮化碳（g-C_3N_4）的結(jié)構(gòu)調(diào)控與光催化制氫增強機制研究[D].西安理工大學，2019.

[4]Wang K，Li Q，Liu B，et al. Sulfur-dopedg-C3N4 with enhanced

photocatalytic C02-reductionperformance[J].Applied catalysis B：Environmental， 2015，176 177：44 52.

作者簡介：

劉可凡（2000.2.7），男，籍貫：山東省淄博市，職稱和學歷：本科生，研究方向或?qū)I(yè)：材料科學與工程。