二维层状NiO/g-C_3N_4复合材料在无铁光电类芬顿体系中有效去除环丙沙星的研究

环丙沙星(CIP)的过量使用已经对生态环境造成了很大的威胁。本文设计了一种新型无铁的光电类芬顿体系用于降解水中的CIP。采用溶剂热法合成了Ni O/g-C_3N_4复合材料。通过XRD分析,确定了不同催化剂的晶相和化学组成;红外光谱进一步证实了Ni O/g-C_3N_4复合材料的分子结构,结果表明,成功地合成了Ni O/g-C_3N_4复合材料。利用SEM观察了材料的形貌,结果表明性能最佳的Ni O/g-C_3N_4-60%为二维花状结构。TEM进一步证明Ni O/g-C_3N_4-60%具有片层状结构。由于层状结构,Ni O/g-C_3N_4-60%具有较大的比表面积和丰富的活性位点,有利于电子的传输。XPS分析表明Ni~(2+)和Ni~(3+)共存于Ni O/g-C_3N_4-60%复合材料中并且Ni O/g-C_3N_4-60%具有低配位氧缺陷。EPR谱也证实了氧空位的存在,氧空位不仅促进了H_2O_2的活化,而且有利于金属离子形成稳定的混合价态。UV-Vis-DRS、PL和电化学测试表明Ni O/g-C_3N_4-60%具有最强的光吸收能力、最低的电荷转移电阻和最快的电荷分离效率,有利于活性物质的生成和CIP的快速降解。因此,花状Ni O/g-C_3N_4-60%在光电类芬顿体系中表现出光电协同作用,不仅可以通过Ni~(3+)/Ni~(2+)之间的转化将电芬顿过程中产生的H2O2有效分解为·OH,同时也能够产生光生电子和空穴,促进光照下·OH、·O_2~-和h~+的生成,从而提高环丙沙星的降解效率。以催化性能最佳的Ni O/g-C_3N_4-60%为催化剂时,在90 min内CIP的降解率达到将近100%,120 min时矿化效率达到82.0%,与传统芬顿体系(最佳p H值为2.8–3.5)相比,新型光电类芬顿体系具有较宽的p H范围,当p H值为6时,降解率仍可达78.8%。Ni O/g-C_3N_4-60%在光电类芬顿体系中也表现出良好的结构稳定性,连续5次循环后,降解效率仍保持在96.3%。根据HPLC-MS的结果,提出了CIP降解的两种可能途径。本研究为废水中抗生素的快速降解提供了理论依据。     

二维纳米材料g-C3N4在电化学发光中的应用研究

电化学发光(ECL)兼备电化学和化学发光的特点,灵敏度高、线性范围宽、背景干扰小,得到了广大分析科学研究者的关注;传统的ECL材料虽然发光效率高,但仍存在价格昂贵、负载量低等缺点。g-C₃N₄是一种不含金属的半导体纳米材料,主要以三嗪环或七嗪环为基本结构单元,通过层间的范德华力以及层内的C—N共价键结合,构成类石墨的二维层状结构,具有性质稳定、能带结构独特、生物兼容性好、环保无毒、易于功能化、原料价廉、制备过程简单等优点。自2012年g-C₃N₄首次被发现具备ECL的性能,至今已被广泛应用到ECL中。本文根据ECL的发光机理、传感器的作用效果、传感的信号类型以及不同的检测对象进行了分类,综述了近年来g-C₃N₄在ECL传感器构建中的研究进展,并阐述了g-C₃N₄在ECL发展中存在的挑战和前景。     

球片型Fe3O4/g-C3N4复合材料光催化性能研究

本文分别通过牺牲模板法与热聚合法,制备出Fe_3O_4纳米球与g-C_3N_4。再采用超声辅助液相剥离法将g-C_3N_4剥离成纳米片分散液,接着通过交替过滤使得Fe_3O_4纳米球与g-C_3N_4纳米片形成球片型的光催化复合材料。利用XRD、BET、SEM及TEM等检测手段对产物的形貌及结构进行表征。通过对比单独的g-C_3N_4与Fe_3O_4/g-C_3N_4复合物,得出Fe_3O_4/g-C_3N_4复合物在还原Cr(Ⅵ)水溶液中显示出高的光催化活性,同时也具有良好的稳定性。     

ZnO/g-C3 N4微纳米材料的制备及其性能研究

用Zn(NO_3)_2、ZnCl_2、C_4H_6O_4Zn·2H_2O及三聚氰胺为原料,采用热解法合成ZnO/g-C_3N_4复合光催化剂。为了对合成产物的组成、形貌及光吸收性能进行表征,我们利用了X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)及UV-Vis等。研究了不同物质含量热解及ZnO的含量对合成产物的影响,并且以六价铬为污染模拟物,对合成的ZnO/g-C_3N_4进行光催化进行评价。结果表明ZnO/g-C_3N_4复合材料有更优秀的光催化性能,用氯化锌为2. 5 wt%、热解温度为510°C、保温时间120 min时,合成的ZnO/g-C_3N_4光催化性能最佳,用氙灯照射270 min后,对六价铬溶液的降解率达到了93. 19%,比用样条件下单一的g-C_3N_4光催化性能提高了44. 92%。     

BiPO4/g-C3N4二元催化剂的制备及其可见光催化性能研究

本研究通过一步搅拌法制备了BiPO_4/g-C_3N_4二元催化剂,以活性蓝19(RB19)为目标污染物,研究了其在可见光下的催化降解性能。采用X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、紫外-可见漫反射光谱(DRS)和傅里叶红外光谱(FT-IR)等表征了催化剂的物化性质。结果表明:BiPO_4成功附着到g-C_3N_4上,并且分散效果较好,BiPO_4的掺入使g-C_3N_4的带隙变窄,提高了g-C_3N_4的可见光利用率,延长了光生电子-空穴对的寿命。最后通过分析推测出可能的光催化降解机理。     

基于g-C3N4的Z型光催化体系研究进展

导电聚合物型光催化材料g-C₃N₄有着独特的电子结构、稳定的化学性能和显著的可见光催化活性。基于g-C₃N₄的Z型光催化体系(Z-g-C₃N₄)的催化效率高、电子-空穴复合率低而备受关注,在光催化领域展现出了巨大的应用潜力。本文阐述了Z-g-C₃N₄型光催化反应体系的作用机理,综述了Z-g-C₃N₄在光催化领域的研究进展,介绍了Z-g-C₃N₄在产氢、转化CO₂、降解有机物等光催化领域的应用,讨论了pH值、导电介质等因素对Z-g-C₃N₄光催化性能的影响。最后指出了Z-g-C₃N₄光催化体系在研究过程中面临的问题和研究方向。     

二维/二维FeNi-LDH/g-C3N4复合光催化剂用于促进CO2光还原反应

Photocatalytic reduction of carbon dioxide into chemical fuels is a promising route to generate renewable energy and curtail the greenhouse effect. Therefore, various photocatalysts have been intensively studied for this purpose. Among them, g-C₃N₄, a 2D metal-free semiconductor, has been a promising photocatalyst because of its unique properties, such as high chemical stability, suitable electronic structure, and facile preparation. However, pristine g-C₃N₄ suffers from low solar energy conversion efficiency, owing to its small specific surface area and extensive charge recombination. Therefore, designing g-C₃N₄ (CN) nanosheets with a large specific surface area is an effective strategy for enhancing the CO₂ reduction performance. Unfortunately, the performance of CN nanosheets remains moderate due to the aforementioned charge recombination. To counter this issue, loading a cocatalyst (especially a two-dimensional (2D) one) can enable effective electron migration and suppress electron-hole recombination during photo-irradiation. Herein, CN nanosheets with a large specific surface area (97 m²·g^-1) were synthesized by a two-step calcination method, using urea as the precursor. Following this, a 2D/2D FeNi-LDH/g-C₃N₄ hybrid photocatalyst was obtained by loading a FeNi layered double hydroxide (FeNi-LDH) cocatalyst onto CN nanosheets by a simple hydrothermal method. It was found that the production rate of methanol from photocatalytic CO₂ reduction over the FeNi-LDH/g-C₃N₄ composite is significantly higher than that of pristine CN. Following a series of characterization and analysis, it was demonstrated that the FeNi-LDH/g-C₃N₄ composite photocatalyst exhibited enhanced photo-absorption, which was ascribed to the excellent light absorption ability of FeNi-LDH. The CO₂ adsorption capacity of the FeNi-LDH/g-C₃N₄ hybrid photocatalyst improved, owing to the large specific surface area and alkaline nature of FeNi-LDH. More importantly, the introduction of FeNi-LDH on the CN nanosheet surface led to the formation of a 2D/2D heterojunction with a large contact area at the interface, which could promote the interfacial separation of charge carriers and effectively inhibit the recombination of the photogenerated electrons and holes. This subsequently resulted in the enhancement of the CO₂ photo-reduction activity. In addition, by altering the loading amount of FeNi-LDH for photocatalytic performance evaluation, it was found that the optimal loading amount was 4% (w, mass fraction), with a methanol production rate of 1.64 μmol·h^-1·g^-1 (approximately 6 times that of pure CN). This study provides an effective strategy to improve the photocatalytic CO₂ reduction activity of g-C₃N₄ by employing 2D layered double hydroxide as the cocatalyst. It also proposes a protocol for the successful design of 2D/2D photocatalysts for solar energy conversion.      

g-C3N4/BiVO4复合光催化剂的合成及其光催化活性研究

以g-C_3N_4和BiVO_4为主要原料,用高温水热法合成出BiVO4/g-C_3N_4复合催化剂。采用X-射线衍射(PXRD)和紫外-可见漫反射吸收光谱(UV-Vis),对复合催化剂BiVO_4/g-C_3N_4的结构进行表征。在可见光下,考察此复合催化剂对亚甲基蓝的降解性能。研究发现,复合催化剂具有g-C_3N_4和BiVO_4结构特征,在X-射线衍射峰上显示出轻微的宽化,质量比为10%的BiVO_4/g-C_3N_4光催化剂降解活性最好,其降解率在360分钟能达到70.6%。     

质子化g-C3N4/β-SiC复合材料的制备及光催化降解茜素红性能

分别采用热解法和溶胶-凝胶-碳热还原法合成了石墨相氮化碳(g-C₃N₄)和纳米级碳化硅(β-SiC), 通过浸渍-热处理法将两者复合并通过浓盐酸质子化, 分别制备了g-C₃N₄/β-SiC和质子化g-C₃N₄/β-SiC(P-g-C₃N₄/β-SiC)复合光催化剂. 利用X射线衍射(XRD)、 扫描电子显微镜(SEM)、 高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、 傅里叶变换红外光谱(FTIR)、 X射线光电子能谱(XPS)、 紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis-DRS)和光致发光光谱(PL)等对样品进行了表征. 结果表明, P-g-C₃N₄/β-SiC复合材料的比表面积增大, 光生电子-空穴对的复合几率降低, 光催化性能明显提高. 在光催化降解染料茜素红(ARS)研究中, 样品的可见光催化活性顺序为P-g-C₃N₄/β-SiC>g-C₃N₄/β-SiC>P-g-C₃N₄>g-C₃N₄>β-SiC. 其中P-g-C₃N₄/β-SiC在60 min内对ARS的降解效率高达99.9%, 符合准一阶动力学模型, 速率常数为0.0967 min ^-1, 且循环使用9次后, 光催化降解效率仍保持97.5%以上.     

g-C3N4/Fe3O4/BiOI磁性材料的制备及其可见光助芬顿催化性能

采用共沉淀-回流法制成g-C₃N₄/Fe₃O₄/BiOI磁性复合材料作为异相光助芬顿(Fenton)催化剂。运用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X-射线衍射(XRD)、振动样品磁强计(VSM)和N₂吸附-脱附等手段分别对催化剂的形貌、结构、组成、磁性和比表面积等进行了表征,并以罗丹明B(RhB)为模型污染物考察了材料的可见光催化性能。实验结果表明,当BiOI的负载质量为50%时,在可见光照射下,复合材料具有最好的光催化性能,180 min内对RhB的降解效率可达到99.20%。较高的光催化性能归因于所制备材料对RhB较强的吸附、强烈的可见光响应以及异质结构促进了光生载流子的分离。进一步在光催化体系中加入适量的H₂O₂后,可极大提高三元复合材料可见光助Fenton降解RhB的效率,30 min内即可达到98.44%,这得益于体系中发生Fenton反应产生较多具有强氧化性的羟基自由基,同时光生电子可加速Fe³⁺     

g-C3N4光催化材料的第一性原理研究

能源短缺和环境恶化是人类社会快速发展面临的重大难题。太阳能作为一种清洁无污染的理想新型能源,具有取之不尽、用之不竭的特点,是实现可持续发展的最佳能源选择。半导体光催化可以直接利用太阳光进行催化反应,得到了广泛关注。作为一种低成本无金属光催化剂,g-C₃N₄具有独特的电子能带结构、优良的化学稳定性和热力学稳定性,在光催化领域如分解水制氢制氧、降解有机污染物、CO₂还原、抗菌和有机官能团选择性转换等方面表现出巨大的应用前景。目前g-C₃N₄光催化剂存在着如比表面积小、可见光利用率低、量子产率低和光生载流子易复合等问题,制约了其在光催化领域的应用。因此,提升g-C₃N₄光催化性能是光催化研究领域的重要课题。第一性原理具有半经验方法不可比拟的优势,已成为光催化研究领域计算和模拟的重要基础。基于密度泛函理论的第一性原理在光催化领域的广泛应用,为有效迅速地探求能够改善g-C₃N₄光催化性能的方法提供了明确的研究手段。本文从理论计算的角度综述了近年来在g-C₃N₄改性方面所取得的一些重要研究进展,主要包括元素掺杂、复合和形貌调控等改性手段。本文以g-C₃N₄改性光催化剂为研究对象,从电子性质、能带结构、光学性质和缺陷形成能的角度阐述了各种改性手段提高光催化活性的微观机理。最后,在总结前文所述各类改性研究的基础上,对g-C₃N₄改性光催化剂未来的发展趋势作出了展望。     

Fabrication of novel Ag/g-C3N4 electrode for resveratrol sensors

Ag/g-C₃N₄ is fabricated and used as an electrode for determining trans-resveratrol concentration. The compositional and structural characteristics of the as-fabricated Ag/g-C₃N₄ are studied through X-ray diffraction, transmission electron microscopy, and energy dispersive spectroscopy. Additionally, the electrochemical behavior of Ag/g-C₃N₄ is investigated using cyclic voltammetry. According to the experimental results, 1 wt%Ag/g-C₃N₄ exhibits an oxidation peak at 0.48 V, with a low detection limit (1.88 × 10⁻⁷ M) and satisfactory correlation coefficient (0.9975), suggesting that the proposed Ag/g-C₃N₄ electrode can be successfully used for detecting trans-resveratrol.     

新型石墨化氮化碳/锡/氮掺杂碳复合物的制备及储钠性能

钠离子电池锡负极因具有较高的理论容量(847 mA·h/g)、 高电导率和合适的工作电位而备受关注. 但锡基负极材料在循环过程中会发生巨大的结构变化, 进而导致活性材料粉化失活和比容量的快速下降. 本文成功制备了基于石墨氮化碳(g-C₃N₄)、 聚多巴胺衍生的氮掺杂碳(NC)和Sn纳米颗粒的复合物(g-C₃N₄/Sn/NC), 其中Sn纳米颗粒包埋在石墨氮化碳和氮掺杂碳中. 在此多层分级结构中, g-C₃N₄和NC的引入可以显著加速电子/离子的传输及电池反应动力学, 从而有助于Sn和钠离子之间的合金化反应; 此外, 这种复合结构有助于保持电极材料的结构稳定性, 进而可以获得优异的储钠性能. 作为钠离子电池负极材料, g-C₃N₄/Sn/NC在0.5 A/g电流密度下经历100次循环, 可逆容量可以达到450.7 mA·h/g; 在1.0 A/g电流密度下, 比容量为388.3 mA·h/g; 此外, 在1.0 A/g电流密度下, 经过400次循环后其比容量依旧能达到363.3 mA·h/g.     

g-C3N4纳米片制备方法研究

作为一种sp2共轭体系的非金属聚合物半导体,g-C3N4纳米片在光电化学、催化、光催化及生物医药等领域具有广泛的应用前景。本文综述了g-C3N4纳米片的制备方法,总结了各种不同方法制备g-C3N4纳米片的的优缺点,并对g-C3N4纳米片的发展进行了展望。     

新颖CdMoO4/g-C3N4复合材料的制备及其可见光增强的电荷分离和光催化活性（英文）

半导体光催化技术因其能够完全矿化和降解废水以及废气中的各种有机和无机污染物而受到越来越多研究者关注.尽管TiO2作为光催化剂显示了良好的应用前景,但其只对紫外光响应,该部分能量大约仅占太阳光谱的5%,从而限制了其实际应用.因此,开发新型可见光响应光催化剂成为光催化领域的研究焦点之一.石墨相氮化碳(g-C3N4)作为一种光催化材料,由于具有良好的热和化学稳定性以及可见光响应而备受关注.然而,单纯的g-C3N4由于光生电荷载流子易复合,光催化效果并不理想.为进一步提高g-C3N4的光催化活性,构建g-C3N4基异质结复合光催化材料被认为是增强g-C3N4光生电子-空穴分离效率的有效方法.CdMoO4作为一种光催化材料,与g-C3N4匹配的能带有利于光生电子-空穴的分离,从而提高g-C3N4的光催化活性.本文通过便利的原位沉淀-煅烧过程,制备了新颖的CdMoO4/g-C3N4异质复合光催化材料.复合材料的晶相构成、形貌、表面化学组分和光学特性等通过相应的分析测试手段进行表征.光催化活性通过可见光下催化降解罗丹明B水溶液来评价.结果显示,将CdMoO4沉积在g-C3N4表面形成复合材料可明显提高光催化活性,且当CdMoO4含量为4.8 wt%时达到最佳的光催化活性.这种显著增强的光催化活性可能是由于CdMoO4/g-C3N4复合物能够有效地传输和分离光生电荷载流子,从而抑制了光生电子-空穴的复合.电化学阻抗、瞬态光电流和稳定荧光光谱测试结果证实,通过CdMoO4与g-C3N4复合可有效增强电荷分离效率.此外,活性物捕获实验表明,在光催化过程中空穴(h+)和超氧自由基(?O2?)是主要活性物种.根据莫托-肖特基实验并结合紫外-可见漫反射吸收光谱,得到了单纯g-C3N4和CdMoO4的能带结构,提出了形成的II型异质结有助于增强光催化活性的机理.     

In-situ Construction of Sulfur-doped g-C3N4/defective g-C3N4 Iso-type Step-scheme Heterojunction for Boosting Photocatalytic H2 Evolution

The rational construction of a high-efficiency stepscheme heterojunctions is an effective strategy to accelerate the photocatalytic H₂.Unfortunately,the variant energy-level matching between two different semiconductor confers limited the photocatalytic performance.Herein,a newfangled graphitic-carbon nitride(g-C₃N₄)based isotype step-scheme heterojunction,which consists of sulfur-doped and defective active sites in one microstructural unit,is successfully developed by in-situ polymerizing N,N-dimethylformamide(DMF)and urea,accompanied by sulfur(S)powder.Therein,the polymerization between the amino groups of DMF and the amide group of urea endows the formation of rich defects.The propulsive integration of S-dopants contributes to the excellent fluffiness and dispersibility of lamellar g-C₃N₄.Moreover,the developed heterojunction exhibits a significantly enlarged surface area,thus leading to the more exposed catalytically active sites.Most importantly,the simultaneous introduction of S-doping and defects in the units of g-C₃N₄ also results in a significant improvement in the separation,transfer and recombination efficiency of photo-excited electron-hole pairs.Therefore,the resulting isotype step-scheme heterojunction possesses a superior photocatalytic H₂ evolution activity in comparison with pristine g-C₃N₄.The newly afforded metal-free isotype step-scheme heterojunction in this work will supply a new insight into coupling strategies of heteroatoms doping and defect engineering for various photocatalytic systems.     

Enhanced Visible-light Photocatalytic Activity of g-C3N4/Nitrogen-doped Graphene Quantum Dots/TiO2 Ternary Heterojunctions for Ciprofloxacin Degradation with Narrow Band Gap and High Charge Carrier Mobility

Limited visible-light absorption and high recombination rate of photogenerated charges are two main drawbacks in g-C₃N₄-based photocatalysts. To solve these problems, g-C₃N₄/nitrogen-doped graphene quantum dots (NGQDs)/TiO₂ ternary heterojunctions were facilely prepared via a one-step calcining method. The morphology, structure, optical and electrochemical properties of g-C₃N₄/NGQDs/TiO₂ were characterized and explored. The optimal g-C₃N₄/NGQDs/TiO₂ composite exhibits enhanced photocatalytic degradation performance of ciprofloxacin (CIP) compared with the as-prepared g-C₃N₄, TiO₂(P25) and g-C₃N₄/TiO₂ heterojunction under visible light irradiation. The apparent rate constant of the composite is around 6.43, 4.03 and 2.30 times higher than those of g-C₃N₄, TiO₂ and g-C₃N₄/TiO₂, respectively. The enhanced photocatalytic efficiency should be mainly attributed to the improvement of light absorption and charge separation and transfer efficiency, originating from the narrow band gap and high charge carrier mobility. The active species trapping experiments results showed that the h⁺ and ^·O₂^- were the main active species in the degradation process. A possible photocatalytic reaction mechanism of the g-C₃N₄/NGQDs/TiO₂ composite for the enhanced degradation of CIP under visible light irradiation was also proposed.     

界面聚合法制备PANI/g-C3N4复合催化剂及其热稳定性和可见光催化性能

利用界面聚合法, 成功将聚苯胺(PANI)纳米棒生长在石墨型氮化碳(g-C₃N₄)片层上, 制备了PANI/g-C₃N₄复合光催化剂. 采用傅里叶变换红外(FTIR)光谱、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、紫外-可见(UV-Vis)光谱、热重分析(TGA)和电化学工作站表征手段考察样品的结构、形貌及性能, 以可见光催化降解亚甲基蓝为模型考察样品的可见光催化活性. 实验结果表明, 在复合材料中的g-C₃N₄能很好地分散成层状, 并在层间与PANI纳米棒形成复合物, 这种特殊的复合结构不仅利于片状g-C₃N₄对PANI链段运动的限制及对其降解产物的物理屏蔽, 从而可以提高复合材料的热稳定性, 而且具有优越的可见光催化性能.