g-C3N4界面改性:掺杂金属硫化物构建新型异质结光催化剂的能源转换展望

光催化技术不仅可以将太阳能转化为化学能,还可以直接降解和矿化有机污染物的特性,因而成为最具吸引力和前景的技术之一,被广泛应用于解决环境和能源问题.但是目前,太阳能燃料的最高转化效率为5%,无法满足商业化要求(≥10%).各种光催化材料被探索研究以进一步提高光催化效率.但目前广泛使用的材料都有不同的缺点.比如最常用的金属氧化物(TiO2)由于禁带较宽,仅能利用太阳光中的紫外光,限制了其对光的使用效率;贵金属化合物虽性能优异但成本较高,不宜规模化应用;硫化物或非金属单质一般容易发生光腐蚀,稳定性较差;非金属化合物或聚合物中光生电子和空穴复合率高,活性较低.最近几年,类石墨相氮化碳(g-C_3N_4)以其优异的热稳定性以及化学稳定性,能带结构易调控和前驱体价格低廉等特点而成为目前研究的热点,在光解水制氢产氧、污染物降解、光催化CO_2还原、抗菌和有机官能团选择性转换等领域受到广泛的应用.然而,传统热缩聚法合成的g-C_3N_4光催化剂比表面积小、电荷复合率高、禁带宽度稍微大、光生载流子传输慢,抑制了其光催化活性.为了进一步提高g-C_3N_4的光催化活性,出现了多种改性方法.纳米异质结由于能展现出单组分纳米材料或体相异质结所不具备的独特性质,更能促进光生电子和空穴快速转移,提供更多的光生电子或使光生电子具有更强的还原性而成为研究的热点.从2009年以来,基于g-C_3N_4的异质结结构以其优异的光催化性能吸引了世界各国科学家的关注.本文综述了过渡金属硫化物(TMS)/g-C_3N_4纳米复合材料的最近研究进展,包括:(1)纯g-C_3N_4的制备,(2)g-C_3N_4的改性方法,(3)TMS/g-C_3N_4异质结光催化剂的设计原则,以及(4)能量转换方面的应用.并从以下几个方面对金属硫化物异质结体系的特性和转移机理进行了介绍:(1) I-型异质结,(2)Ⅱ-型异质结,(3) p-n型异质结,(4)肖特基异质结和(5) Z-型异质结.此外,还系统地介绍了g-C_3N_4基异质结光催化剂在光解水、CO_2还原、固氮和污染物降解等方面的应用.最后,本文分析了目前g-C_3N_4光催化剂异质结领域面临的问题和挑战,展望了未来的发展趋势.     

理论计算研究二维/二维BP/g-C_3N_4异质结的光催化CO_2还原性能（英文）

光催化二氧化碳还原成烃类化合物是解决能源短缺和环境污染的重要途径。而构建复合物光催化剂可以有效地解决单一光催化剂的缺点,并且提高二氧化碳还原活性。尽管对复合物光催化剂已经做了很多研究,然而对其活性增强的内在机制还缺乏理论认识。本文采用密度泛函理论计算方法研究了二维/二维BP/g-C_3N_4复合模型的电子性质和CO_2还原反应过程。通过对能带位置和界面电子相互作用的综合分析发现,在BP/g-C_3N_4异质结中,光生载流子的迁移遵循S型异质结光催化机制。与单一的g-C_3N_4相比,这种异质结可以实现光生载流子的高效分离并且拥有良好的氧化还原能力。此外,通过对比研究CO_2在g-C_3N_4和BP/g-C_3N_4还原反应过程发现,异质结使CO_2还原反应的最大能垒从1.48 e V降低到1.22e V。因此,BP/g-C_3N_4异质结在理论上被证明是一种优良的CO_2还原光催化剂。这项工作有助于了解BP改性对g-C_3N_4光催化活性的影响,也为其他高性能CO_2还原光催化剂的设计提供理论依据。     

电纺法构筑高光催化活性的Z型TiO2/g-C3N4/RGO三元异质结

太阳能光催化技术广泛应用于处理环境污水中.Z型光催化剂体系具有较强的氧化还原能力,降低半导体的带隙,且使导带更负,价带更正,有效拓宽光生电子-空穴空间距离,抑制其复合,大大提高了光催化剂的催化性能,因此,构筑直接的Z型光催化体系已成为光催化领域的研究热点之一.TiO_2具有较好的光催化性能和良好的化学稳定性,但其禁带较宽,只能被太阳光中约占4%的紫外光激发,对太阳光中约占50%的可见光不响应,且光生电子-空穴易复合.g-C_3N_4是非金属光催化剂,具有较好的光催化活性,可见光吸收非常强,但比表面积较小,光生电子-空穴易复合.还原氧化石墨烯(RGO)具有大的比表面积和优异的传输载流子能力,可显著提高光催化剂的比表面积,同时降低电子空穴复合效率,从而在一定程度上改善光催化剂性能.大量研究证实, TiO_2/g-C_3N_4/RGO三元异质结的光催化性能明显优于单组份TiO_2, g-C_3N_4和二元TiO_2/g-C_3N_4光催化剂,但现有制备工艺复杂且耗时,因此,简易地构筑具有高光催化性能的Z型TiO_2/g-C_3N_4/RGO三元异质结仍具有挑战性.本文采用简易的直接电纺法构筑了高光催化活性的Z型TiO_2/g-C_3N_4/RGO三元异质结光催化剂,通过调节尿素的用量成功制备了一系列不同形貌的TiO_2/g-C_3N_4/RGO三元异质结.并采用X-射线衍射、红外光谱、拉曼光谱、X射线光电子能谱、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、紫外-可见漫反射吸收光谱、氮气吸附-脱附测试、光电化学测试和荧光光谱等技术对所制备样品的晶型、组成、形貌、光捕获能力、载流子分离能力、比表面积、光电流、阻抗、光降解性能以及羟基自由基的生成进行系统性测试.以罗丹明B为目标探针分子,考察了模拟太阳光下所制备的光催化剂的光催化活性,结果表明,尿素添加量为0.6g时,电纺构筑的TiO_2/g-C_3N_4/RGO三元异质结在60min具有99.1%的光催化降解效率,显著优于纯TiO_2, g-C_3N_4,二元TiO_2/g-C_3N_4以及制备的其它TiO_2/g-C_3N_4/RGO三元异质结光催化剂.基于光电化学测试、活性物种淬灭实验和荧光光谱分析测试羟基自由基等分析结果,提出了一个合理的Z型增强光催化活性机理.     

g-C3N4-BiOBr复合材料制备及可见光催化性能

利用原位沉积法将Bi OBr纳米片生长到g-C_3N_4表面,制得g-C_3N_4-Bi OBr p-n型异质结复合光催化剂。采用X射线衍射(XRD)、红外光谱(FTIR)、场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)、透射电子显微镜(TEM)、紫外可见漫反射(UV-Vis-DRS)和荧光光谱(PL)等测试对光催化剂结构和性能进行表征。通过可见光辐照降解甲基橙水溶液检测评估复合光催化剂光催化活性。研究结果表明:复合光催化剂由Bi OBr和g-C_3N_4两相组成,Bi OBr纳米片在片状g-C_3N_4表面快速形核生长形成面-面复合结构。相比于纯相g-C_3N_4和Bi OBr,g-C_3N_4-Bi OBr复合材料具有更强可见光吸收能力,吸收带边红移。在可见光辐照100 min后,性能最佳的2:8 gC_3N_4-Bi OBr复合光催化剂光催化活性分别是纯相g-C_3N_4和Bi OBr的1.8和1.2倍,经过4次循环实验后,其降解率仍达84%,说明复合结构光催化剂催化性能和稳定性增强。复合光催化剂的荧光强度显著降低,说明光生载流子复合得到了有效抑制。复合光催化剂催化性能的提高归因于p-n型异质结促进电荷有效分离、抑制电子-空穴复合和吸收光波长范围的扩展,相比单一成分材料具有更好的催化活性和稳定性。自由基捕获实验证明,可见光降解甲基橙光催化过程中的主要活性成分为空穴,并据此提出了可能的光催化机理。     

NiS_2助剂修饰g-C_3N_4光催化剂的简易合成及光催化制氢性能增强研究（英文）

g-C_3N_4是一种新型的稳定的半导体光催化材料,它可以通过热缩聚法、固相反应法、电化学沉积法和溶剂热法等制备.g-C_3N_4禁带宽度约为2.7 eV,吸收边在460 nm左右,具有合适的导带位置,可用作可见光响应制氢的光催化材料,但在实际应用中g-C_3N_4光催化性能较低,其原因可归纳为:(1)g-C_3N_4在吸收光子产生电子和空穴对后,光生载流子的传输速率较慢,容易在体相或表面复合,致使g-C_3N_4的量子效率较低;(2)材料在合成过程中易于结块,使g-C_3N_4的比表面积远小于理论值,严重削弱了g-C_3N_4光催化材料的制氢性能.目前已有很多关于g-C_3N_4改性的报道,但一些方法对材料的处理过程耗时较长或者合成过程较难控制.用助剂改性是提高光催化制氢活性的半导体材料的主要策略之一.合适的助剂可改进电荷分离和加速表面催化反应,从而提高光催化剂的制氢活性.虽然稀有金属或贵金属,如铂、金和银可大大提高g-C_3N_4的制氢速率,但由于其昂贵和稀缺性,因而应用严重受限.因此,开发成本低、储量丰富、高性能助剂来进一步提高制氢性能具有重要意义.NiS_2来源丰富、价格低廉.它可在酸性和碱性的环境保持相对较高的稳定性,且其表面电子结构表现出类金属特性.但它较难与半导体光催化剂形成强耦合和界面,通常需要水热等条件下合成.实验表明,g-C_3N_4表面存在着大量的含氧官能团及未缩合的氨基基团,为表面接枝提供了丰富的反应活性位点,因而可利用g-C_3N_4表面均匀分布的含氧官能团等和Ni~(2+)结合,再原位与S~(2-)反应,从而在g-C_3N_4上负载耦合紧密的NiS_2助剂,进一步提高复合材料的光催化制氢活性.本文采用低温浸渍法制备了NiS_2/g-C_3N_4光催化剂.NiS_2助剂在温和的反应条件下与g-C_3N_4光催化剂复合,可以防止催化剂结构的破坏,同时使得助剂均匀地分散,并紧密结合在催化剂表面,从而大大提高光催化剂的制氢性能.该样品制备过程为:(1)通过水热处理制备含氧官能团和较大比表面积的g-C_3N_4;(2)添加Ni(NO_3)_2前驱体后,Ni~(2+)离子由于静电作用紧密吸附在g-C_3N_4表面;(3)在80℃加入硫代乙酰胺(TAA),可在g-C_3N_4的表面紧密和均匀形成助剂NiS_2.表征结果证实成功制备NiS_2纳米粒子修饰的g-C_3N_4光催化剂.当Ni含量为3 wt%,样品表现出最大的制氢速率(116μmol h~(-1)g~(-1)),明显高于纯g-C_3N_4.此外,对NiS_2/g-C_3N_4(3 wt%)的样品进行光催化性能的循环测试结果表明:该样品在可见光照射下可以保持一个稳定的、有效的光催化制氢性能.根据实验结果,我们提出一个可能的光催化机理:即NiS_2促进了物质表面快速转移光生电子,使g-C_3N_4光生电荷有效分离.基于NiS_2具有成本低和效率高的优点,因而有望广泛应用于制备高性能的光催化材料.     

Cu~(2+)改性g-C_3N_4光催化剂的光催化性能（英文）

本文通过将Cu~(2+)掺入g-C_3N_4结构中成功制备了Cu/g-C_3N_4光催化剂,并进一步优化其光催化性能。同时,采用多种表征方法对Cu/g-C_3N_4光催化剂的结构、形貌、光学和光电性能进行了分析。X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)结果表明制备的光催化剂为Cu/g-C_3N_4,且Cu的价态为+2。在可见光照射下,研究了不同铜含量的Cu/g-C_3N_4和gC_3N_4光催化剂的光催化活性。实验结果表明,Cu/g-C_3N_4光催化剂的降解能力显著高于纯相的g-C_3N_4。N_2吸附-解吸等温线表明,Cu~(2+)的引入对g-C_3N_4的微观结构影响不大,说明光催化活性的提高可能与光生载流子的有效分离有关。因此,Cu/g-C_3N_4光催化降解RhB和CIP性能的提升可能是由于Cu~(2+)可以作为电子捕获陷阱从而降低了载流子的复合速率。通过光电测试表明,在g-C_3N_4中掺入Cu~(2+)可以降低g-C_3N_4的电子空穴复合速率,加速电子空穴对的分离,从而提高了其光催化活性。自由基捕获实验和电子自旋共振(ESR)结果表明,超氧自由基(O_2~(·-))、羟基自由基(·OH)和空穴的协同作用提高了Cu/g-C_3N_4光催化剂的光催化活性。     

新型BiOI/g-C_3N_4纳米片复合光催化剂的制备及其可见光催化活性增强（英文）

近年来,石墨型氮化碳(g-C_3N_4)作为一种n型半导体光催化剂材料,由于具有较好的热稳定性和化学稳定性,同时具有可调的带隙结构和优异的表面性质而备受人们关注.然而,传统的g-C_3N_4块体材料存在比表面积小、光响应范围窄和光生载流子易复合等缺陷,制约着其光催化活性的进一步提高.因此,人们开发了多种技术对块体状g-C_3N_4材料进行改性,其中构建基于g-C_3N_4纳米薄片的异质结复合光催化材料被认为是强化g-C_3N_4载流子分离效率,进而提高其可见光催化活性的重要手段.BiOI作为一种窄带隙的p型半导体光催化剂,具有强的可见光吸收能力和较高的光催化活性,同时它与g-C_3N_4纳米薄片具有能级匹配的带隙结构.因此,基于以上两种半导体材料的特性,构建新型的BiOI/g-C_3N_4纳米片复合光催化剂材料不仅能够有效提高g-C_3N_4的可见光利用率,而且还可以在n型g-C_3N_4和p型BiOI界面间形成内建电场,极大促进光生电子-空穴对的分离与迁移效率.为此,本文通过简单的一步溶剂热法在g-C_3N_4纳米薄片表面原位生长BiOI纳米片材料,成功制备了新型的BiOI/g-C_3N_4纳米片复合光催化剂.利用X射线衍射仪(XRD),场发射扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、紫外-可见漫反射光谱和瞬态光电流响应谱对所合成复合光催化剂的晶体结构、微观形貌、光吸收性能和电荷分离性能进行了表征测试.XRD,SEM和TEM结果显示,结晶完好的BiOI呈小片状均匀分散在g-C_3N_4纳米薄片表面;紫外漫反射光谱表明,纳米片复合材料的吸光性能较g-C_3N_4薄片有显著提升;瞬态光电流测试证明,复合材料较单一材料有更好的电荷分离与迁移性能.在可见光催化降解RhB的测试中,BiOI/g-C_3N_4纳米片复合光催化剂显示出了优异的催化活性和稳定性,其光降解活性分别为纯BiOI和g-C_3N_4的34.89和1.72倍;自由基捕获实验发现,反应过程中的主要活性物种为超氧自由基(·O_2~-),即光生电子主导整个降解反应的发生.由此可见,强的可见光吸收能力和g-C_3N_4与BiOI界面处形成的内建电场协同促进了g-C_3N_4纳米薄片的电荷分离,进而显著提高了该复合材料的可见光催化降解活性.此外,本文初步验证了在BiOI/g-C_3N_4纳米片复合光催化体系内光生电荷是依据"双向转移"机制进行分离和迁移的,而非"Z型转移"机制.     

具有超快电子传输能力的金/薄层氮化碳等离子光催化剂用于光催化产氢（英文）

光催化产氢可以直接将太阳能转化为化学能,是非常有前景的产氢技术之一.然而,光催化产氢的瓶颈在于如何提高光催化产氢效率和光催化剂的稳定性,以及降低产氢成本.因此,开发廉价、易于制备的产氢光催化剂引起人们广泛关注.作为一种非金属半导体光催化剂,石墨相氮化碳(g-C_3N_4)具有良好的物理化学性质,如良好的化学和热稳定性、极佳的光电性能、强的抗氧化能力等.更为重要的是,g-C_3N_4具有合适的能带结构,能够利用可见光.因此,g-C_3N_4已广泛应用于光催化降解、空气净化、光解水和光催化CO2还原等领域.然而,体相g-C_3N_4仍然暴露出一些缺点,例如比表面积小、光生电子-空穴对的复合率高和反应动力学差等.将体相g-C_3N_4剥离成g-C_3N_4纳米薄片是提高光催化效率的有效方法.薄层g-C_3N_4纳米片具有较高的比表面积,比体相的g-C_3N_4有更好的光生电子-空穴对分离效率.为了进一步提高g-C_3N_4的光催化性能,本文通过在薄层g-C_3N_4表面均匀分散Au纳米颗粒来控制电荷载流子的流动.并通过光催化产氢和污染物降解来评估金/薄层氮化碳(Au/monolayer g-C_3N_4)复合材料的光催化性能.所有的Au/薄层g-C_3N_4复合材料均显示出优于体相g-C_3N_4的光催化性能,其中1%Au/薄层g-C_3N_4复合光催化剂具有最高的产氢速率(565μmol g.1h.1),且具有最佳的污染物降解能力.这主要归结于热电子的注入,而不是肖特基结.Au纳米颗粒的成功引入带来了表面等离子共振(SPR)效应,SPR效应不仅能够提高光吸收效率,而且能够带来高效的热电子转移途径.热电子是从Au纳米颗粒表面注入到薄层g-C_3N_4纳米片的导带上.因此,Au/薄层g-C_3N_4复合光催化剂具有更高的光生电子-空穴对迁移和分离效率,以及更低的光生电子-空穴对复合几率.采用紫外可见光谱(UV-Vis)、光致发光光谱(PL)、光电流和阻抗等表征手段研究了Au/薄层g-C_3N_4复合光催化剂性能提升的原因.结果表明,相比于薄层g-C_3N_4纳米片,Au/薄层g-C_3N_4复合光催化剂具有更好的光电性能,因而光催化活性更高.此外,与薄层g-C_3N_4纳米片的光电流强度相比,Au/薄层g-C_3N_4复合光催化剂的光电流强度没有发生改变,这表明薄层g-C_3N_4纳米片导带上的光生电子不可能转移到Au纳米颗粒的表面.也就是说,肖特基结并没有参与到电子转移过程中,因此推测出整个光催化反应是热电子注入在起作用     

凹凸棒石/g-C3N4-AgFeO2复合材料制备及其光催化性能

以凹凸棒石(简称凹土,ATP)为基体,通过原位化学法一步直接合成g-C_3N_4薄层材料,并将其有效固载于凹土表面(ATP/gC_3N_4),再通过原位沉淀法引入不同比例AgFeO_2纳米颗粒,构筑系列兼具磁分离特性和高效光催化活性的ATP/g-C_3N_4-AgFeO_2-Y复合光催化剂(Y=wATP/g-C_3N_4/(wATP/g-C_3N_4+wAg FeO_2)×100%,表示ATP/g-C_3N_4在ATP/g-C_3N_4-AgFeO_2复合材料中所占的质量百分数)。采用XRD、SEM、BET、UV-Vis、PL和ICP表征其结构和物化性能,以酸性红G(ARG)为目标降解物,研究其光催化性能。研究发现:通过形成Si-O-C键,g-C_3N_4薄层被均匀固定在凹土表面;AgFeO_2纳米颗粒均匀沉积于ATP/g-C_3N_4表面并形成Z型异质结,ATP/gC_3N_4-AgFeO_2-Y具有比ATP/g-C_3N_4和AgFeO_2更优异的可见光光催化性能,且随着ATP/g-C_3N_4含量的增大呈先升高而后下降的趋势;当Y=57%时复合材料的性能最佳,ATP/g-C_3N_4-AgFeO_2-57%对20 mg·L-1酸性红G的降解率可达97.4%,循环4次使用后,降解率仍保持94.2%。通过自由基捕获实验研究了光催化反应机理,发现·O2-是光催化过程的主要活性物种。     

缺陷辅助表面修饰提高g-C3N4@C-TiO2直接Z型异质结的可见光光催化性能

光催化技术被认为是解决能源和环境问题的最有前途方法之一.较高光催化活性的石墨相氮化碳(g-C_3N_4)及碳掺杂TiO_2(C-TiO_2)的制备及性能一直是环境光催化研究的热点,然而,单一光催化剂存在光生电子空穴易复合及量子效率低等问题.本课题组曾通过简单的水辅助煅烧法成功制备了纳米多孔g-C_3N_4,结果发现,多孔g-C_3N_4光催化活性较体相的明显提高,但光催化效率仍不够理想,原因是光生电子空穴复合较严重.传统的制备C-TiO_2的方法亦存在一些不足,如需要添加碳源或碳组分聚集体.我们采用原位掺杂的方法合成了含有一定氧空位和活性位的纳米碳改性的C-TiO_2,后辅以简单的化学气相沉积法构建了g-C_3N_4表面修饰的g-C_3N_4@C-TiO_2.结果表明,相比纯g-C_3N_4, TiO_2及C-TiO_2,g-C_3N_4@C-TiO_2具有更高的光催化活性;但其原因及碳掺杂态的影响尚不清楚.基于此,本文采用X射线光电子能谱技术(XPS)、透射电子显微镜(TEM)、电化学阻抗谱(EIS)、光致发光谱(PL)、电子顺磁共振技术(EPR)及理论计算等手段研究了g-C_3N_4@C-TiO_2光催化活性提高的原因和机理.XPS结果表明,随着碳含量的增加,间隙掺杂产生的O-C键的峰值强度先增大后趋于稳定,而晶格取代掺杂产生的Ti-C键的峰值强度逐渐增大.Ti-O峰的减少进一步证明了更多的碳取代了氧晶格的位置.随着碳掺杂量的增加,C-TiO_2的带隙逐渐减小,因而吸收边红移;同时, g-C_3N_4@C-TiO_2的光催化降解效率先升高后降低. g-C_3N_4@C-TiO_2对RhB(苯酚)光降解的最大表观速率常数为0.036(0.039)min-1,分别是纯TiO_2, 10C-TiO_2, g-C_3N_4和g-C_3N_4@TiO_2的150(139), 6.4(6.8), 2.3(3)和1.7(2.1)倍.g-C_3N_4通过π-共轭和氢键与C-TiO_2表面紧密结合,在催化剂中引入了新的非局域杂质能级和表面态,可以更有效地分离和转移光生电子,因而光催化活性增加.由此可见,碳掺杂状态和g-C_3N_4原位沉积表面改性对g-C_3N_4@C-TiO_2复合光催化剂性能的影响很大.     

缺陷工程调控石墨相氮化碳及其光催化空气净化应用进展（英文）

二维石墨相氮化碳(2D g-C_3N_4)由于其特殊的π-π共轭结构,较窄的禁带宽度(2.7 e V)以及比表面积大、结构稳定、绿色无毒、来源广泛等特点,在光催化领域显示出巨大的应用潜力。然而,传统g-C_3N_4由于其可见光吸收差、光生载流子复合快、量子效率低等固有缺点导致其光催化性能较差,限制其应用。迄今为止,研究人员已经设计并开发了异质结构建、缺陷工程和形貌调控等多种策略来改善g-C_3N_4光催化活性。其中,缺陷工程通过调节g-C_3N_4的表面电子结构和能级结构来提高其光捕获、光生载流子分离-迁移和目标分子吸附/活化能力,从而改善其光催化能力。本文综述了非外源因素诱导(碳空位、氮空位等)以及外源因素诱导缺陷(掺杂和功能化)修饰g-C_3N_4,调控其光电子及光催化性能的最新研究进展,并介绍了2D g-C_3N_4在光催化净化大气方面的应用进展。最后,对g-C_3N_4在光催化领域的后续研究进行了展望。这篇文章的主要目的是为全面、深入地理解缺陷调控g-C_3N_4光催化性能的机制提供思路,以期更好地指导g-C_3N_4光催化剂的后续研究及其工商业应用开发。     

2D/0D氮化碳与MoS_2量子点直接Z型光催化剂的构筑及光催化性能(英文)

近年来,光催化技术作为一种"绿色"技术,在解决环境问题和能源危机等方面有着广泛的应用.新型可见光响应的半导体光催化材料g-C_3N_4具有二维(2D)纳米片结构,合适的禁带宽度(Eg=2.7 eV),优异的化学稳定性和低廉成本得到广泛的研究.但是,g-C_3N_4光催化剂本身的光生电子-空穴对复合几率高以及可见光响应范围窄等缺点,使其在光催化领域应用中具有一定的局限性.因此,提高g-C_3N_4半导体材料的光催化活性成为近年的研究热点.众所周知,Z型光催化体系的构筑不仅使材料具有较强的氧化还原能力而且有利于其光生电子-空穴的有效分离.但传统Z型光催化体系由于贵金属的引入、复杂的反应体系限制了其在实际领域中的应用.因此,构筑无电子介体的直接Z型光催化体系成为光催化领域的研究热点之一.与块状材料相比,零维(0D)量子点材料具有带隙可调性,可见光和近红外区域的强光收集能力等性能,在光催化领域具有广阔的应用前景.MoS_2量子点具有优异的光学和电子性能,因此,在催化、荧光检测、生物成像领域有重要的应用价值.我们结合水热和微乳溶液法合成了直接Z型g-C_3N_4/MoS_2 QDs(2D/0D)复合光催化材料,并采用X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、原子力显微镜(AFM),透射电子显微镜(TEM)以及紫外可见漫反射光谱(UV-vis)等表征方法对该催化剂的结构特征、微观形貌和光学性能进行分析.并研究了g-C_3N_4/MoS_2 QDs复合材料在可见光下的光催化性能.XRD,XPS结果表明,复合材料由g-C_3N_4,MoS_2组成.TEM和高斯分布结果表明,MoS_2 QDs具有良好的分散性,其尺寸小于5 nm,g-C_3N_4纳米片由具有皱纹和不规则折叠结构的薄层组成,在g-C_3N_4/MoS_2 QDs复合材料中可以看到少量的MoS_2量子点沉积在片状g-C_3N_4的表面上.光催化性能测试结果进一步表明,7%MoS_2 QDs/g-C_3N_4在可见光下具有优异的光催化性能:可见光照射12 min内,RhB的降解效率可达100%,降解速率常数是纯g-C_3N_4的8.8倍.为了进一步研究g-C_3N_4/MoS_2异质结光催化剂的光催化机理,用对苯醌、乙二胺四乙酸二钠和丁醇进行了自由基捕捉剂实验.结果表明,超氧自由基在降解有机染料过程中起主要作用,羟基自由基和空穴在增强的光催化性能中发挥相对较小的作用.通过光电流测试、材料价带导带位置计算以及·O_2~-和·OH定量实验结果并结合文献分析认为,MoS_2量子点和g-C_3N_4之间优良的界面接触以及由直接Z型结构产生的光生电荷载体的有效分离使其光催化性能得到显著提升.     

在FTO导电玻璃上电化学沉积高效可见光光电化学分解水Cu_2O/g-C_3N_4异质结膜（英文）

近几十年来,光电化学分解水制氢作为一种洁净的、能持续利用太阳能的技术受到极大关注.在众多光催化材料中,P型半导体氧化亚铜(Cu_2O)被认为是最有前途的可见光光电分解水材料之一.理论上,它的光能转换为氢能的效率可达到18.7%.然而,目前所报道的Cu_2O光转换效率远远低于此值;同时,纯Cu_2O在光照条件下的稳定性较差.研究表明,Cu_2O与其它半导体复合可以增强其光电转换效率和提高稳定性.如Cu_2O和能带匹配的石墨相氮化碳(g-C_3N_4)复合后,光催化性能和稳定性都有较大提高.但目前所报道的Cu_2O/g-C_3N_4复合物几乎都是粉末状催化剂,不便于回收和重复使用.本文首先采用电化学方法在FTO导电玻璃上沉积Cu_2O薄膜,采用溶胶凝胶法制备g-C_3N_4纳米颗粒材料,然后采用电化学法在Cu_2O薄膜表面沉积一层g-C_3N_4纳米颗粒,得到了Cu_2O/g-C_3N_4异质结膜.分别利用X射线粉末衍射(XRD)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、扫描电子显微镜(SEM)、紫外可见光谱(UV-Vis)和光电化学分解水实验分析了Cu_2O/g-C_3N_4异质结的组成结构、表面形貌、光吸收性能及催化剂活性和稳定性.XRD和HRTEM表征显示,本文成功合成了Cu_2O/g-C_3N_4异质结材料,SEM图表明g-C_3N_4纳米颗粒在Cu_2O表面分布均匀,大小均一.可见光光电化学分解水结果显示,异质结薄膜的光电化学性能比纯的Cu_2O和g-C_3N_4薄膜材料有极大提高.当在Cu_2O表面沉积g-C_3N_4的时间为15 s时,得到样品Cu_2O/g-C_3N_4-15异质结膜,其在-0.4 V和可见光照射条件下,光电流密度达到了-1.38 mA/cm~2,分别是纯Cu_2O和g-C_3N_4薄膜材料的19.7和6.3倍.产氢速率也达到了0.48 mL h~(-1)cm~(-2),且产氢和产氧的速率之比约为2,说明此异质结材料在可见光作用下能全分解水.经过三次循环实验,光电化学分解水的效率仅降低10.8%,表明该材料具有良好的稳定性.根据UV-Vis表征和光电化学性能对比,Cu_2O/g-C_3N_4-15的光电性能最好,但其光吸收性能并不是最好,说明光电化学性能与光吸收不是成正比关系,主要是由于Cu_2O和g-C_3N_4两个半导体相互起到了协同作用.机理分析表明,Cu_2O/g-C_3N_4异质结薄膜在光照下,由于两者能带匹配,Cu_2O的光生电子从其导带转移到g-C_3N_4的导带上,g-C_3N_4价带上的空隙转移到Cu_2O的价带上,从而降低了光生电子和空隙的复合,提高了其光催化性能.由于g-C_3N_4的导带位置高于H_2O(或H~+)还原为H_2的电势,Cu_2O的价带位置低于H_2O(或OH-)还原为O_2的电势,所以在外加-0.4V偏压和可见光照射条件下,Cu_2O/g-C_3N_4能全分解水,光生载流子越多,光电化学分解水的速率越大.综上所述,在Cu_2O薄膜上沉积g-C_3N_4后得到的异质结薄膜具有高效的光能转换为氢能性能.     

高光催化活性的磷氧桥连TiO_2/g-C_3N_4纳米复合体的合成（英文）

石墨型氮化碳(g-C_3N_4)是一种新型非金属聚合物半导体材料,具有合理的能带结构、较好的稳定性及卓越的表面性质,因而受到了人们的广泛关注.目前,它作为光催化剂在降解污染物、光催化分解水产氢和光催化还原CO2方面正呈现出巨大的应用潜力.然而,g-C_3N_4可见光响应范围窄、比表面积较小、尤其是光生载流子易复合等缺陷制约着其光催化活性的进一步提高.针对以上问题,人们对g-C_3N_4进行了大量的改性研究,其中构建能级匹配的纳米半导体/g-C_3N_4异质结复合体是常用的有效改善g-C_3N_4光生电荷分离进而提高其光催化活性的手段.但现有相关文献往往忽略了复合体界面接触情况对光生电荷转移和分离的影响,从而在一定程度上影响对光催化性能的改善.本课题组前期工作表明,通过磷氧、硅氧功能桥的建立可加强TiO_2/Fe2O3,Zn O/BiVO_4纳米复合物的界面接触,从而促进光生电荷的迁移和分离,进而进一步提高纳米复合体的光催化活性.这样,通过构建磷氧桥有望改善TiO_2和g-C_3N_4的紧密连接,以促进光生电子由g-C_3N_4向TiO_2的迁移、改善光生载流子的分离,进而更加显著地提高g-C_3N_4的光催化活性.但是相关工作至今尚未见到报道.为此,本文通过简单的湿化学法成功地合成了磷氧(P–O)桥连的TiO_2/g-C_3N_4纳米复合体,并研究了P–O功能桥对TiO_2/g-C_3N_4纳米复合体光生电荷分离及其对光催化降解污染物及还原CO2活性的影响.结果表明,g-C_3N_4与适量的纳米TiO_2复合,尤其是g-C_3N_4与适量P–O桥连TiO_2的复合可进一步提高g-C_3N_4的光催化活性.基于气氛调控的表面光电压谱和光致发光谱等的分析,P-O桥连可促使g-C_3N_4的光生电子由g-C_3N_4向TiO_2转移,极大地促进了g-C_3N_4的光生电荷分离,因而使纳米复合体光催化活性大幅提高,其光催化降解2,4-DCP及还原CO2活性均为g-C_3N_4的3倍.此外,自由基捕获实验表明,·OH作为空穴调控的直接中间产物,其对2,4-DCP的降解起主导作用.     

新型PtPd合金纳米颗粒修饰g-C3N4纳米片以提高可见光照射下光催化产氢活性

石墨相氮化碳(g-C_3N_4)纳米片因其廉价、易得、无毒等优点而在光催化领域被广泛应用和研究.但单一的g-C_3N_4存在光生电子与空穴易复合等缺陷,而助催化剂的存在可以促进电荷转移,延长载流子寿命,从而提高光催化性能.本文通过合成PtPd双金属合金纳米颗粒作为助催化剂,对g-C_3N_4纳米片光催化剂进行修饰以提高可见光照射下的光催化产氢速率.g-C_3N_4是以尿素为原材料,通过高温热缩聚和热刻蚀的方法合成, PtPd/g-C_3N_4复合光催化剂通过化学还原沉积法合成.对所获得的复合光催化剂进行了XRD测试并将结果与PdPt标准卡片进行了对比,结果表明,各峰的位置都能有较好的对应,说明成功合成了PdPt.采用TEM对PtPd/g-C_3N_4的形貌进行观察,发现g-C_3N_4呈薄片状,且PdPt颗粒较为均匀地分布在其表面.XPS测试发现, PtPd/g-C_3N_4复合样品中Pt和Pd元素的峰值较Pt/g-C_3N_4和Pd/g-C_3N_4均发生0.83eV的偏移,进一步说明合成了PtPd双金属合金纳米颗粒.DRS测试表明, g-C_3N_4的带隙宽度为2.69eV,而PtPd双金属合金纳米颗粒的负载有效地减小了禁带宽度,从而提高了光催化剂对光的利用率.光催化产氢性能实验发现,当g-C_3N_4负载PtPd双金属合金纳米颗粒后,光催化产氢速率大幅度提高,其中负载量为0.2wt%的PtPd/g-C_3N_4复合光催化剂的产氢速率最高,为1600.8μmol g~(–1)h~(–1),是纯g-C_3N_4纳米片的800倍.向光催化体系中添加10gK_2HPO_4后,产氢速率提高到2885.0μmolg~(–1)h~(–1).当二元合金中Pt:Pd比为1:1时, PtPd/g-C_3N_4复合光催化剂上的产氢速率最高,分别是Pt/g-C_3N_4和Pd/g-C_3N_4上的3.6倍和1.5倍.另外,在420nm处量子效率为5.5%.PtPd/g-C_3N_4复合光催化剂还表现出很好的稳定性,能够在完成4次光催化实验循环后仍然保持其良好的光催化活性.对PtPd/g-C_3N_4复合光催化剂进行了一系列光电化学表征.PL结果表明, PtPd/g-C_3N_4复合光催化剂与纯g-C_3N_4相比荧光强度减弱,说明PtPd/g-C_3N_4复合光催化剂有较慢的光生电子-空穴复合速率,这可以更有效地使电荷分离,从而提高光催化活性.根据光催化反应和表征分析结果提出了复合光催化剂上水分解产氢可能的机理,即PtPd/g-C_3N_4之间的协同作用有助于提高复合光催化剂的光催化活性.     

Bi_2MoO_6修饰提升g-C_3N_4光催化降解罗丹明B性能

本文通过水热法合成球状Bi_2MoO_6,采用热处理法复合Bi_2MoO6和g-C_3N_4,制备出不同质量比例的g-C_3N_4/Bi_2MoO_6复合型光催化剂.利用X射线衍射、扫描电子显微镜、紫外-可见分光光度计、光致发光光谱仪等技术对所制备的光催化剂进行基本物性表征,分析了样品的微观结构、尺寸形貌和光学性质.g-C_3N_4与Bi_2MoO_6之间理想匹配的能带结构促进了光生载流子转移,进而提升光生电子和空穴的分离率,达到提高光催化活性的目的.g-C_3N_4/Bi_2MoO_6复合材料在可见光下展现出对罗丹明B高效的降解活性,其中Bi_2MoO_6与g-C_3N_4质量比为10%时展示出最佳的光催化降解性能,其降解速率分别为纯g-C_3N_4和Bi_2MoO_6的6.5和3.3倍.     

石墨相氮化碳/二氧化锡复合材料的制备及光催化性能

采用热聚合法和水热法相结合的方法制备了g-C_3N_4/SnO_2复合光催化剂。利用XRD、SEM、TEM、FT-IR和UV-Vis DRS等多种测试手段对所得样品的物相结构、微观形貌和吸光特性等进行了表征。结果表明,异质结构复合光催化剂的最大光吸收边位置相对纯相SnO_2发生了明显的红移,并且SnO_2颗粒均匀分布于g-C_3N_4表面,其中最优组分(50%-g-C_3N_4/SnO_2)光催化降解染料罗丹明B(RhB)的效率达到了纯相g-C_3N_4的3.78倍。     

一种简单前驱体预处理策略制备多孔氮化碳和负载型多孔氮化碳及其高效可见光光催化活性（英文）

作为一种非金属半导体光催化剂,石墨相氮化碳(g-C_3N_4)已广泛应用于水中有机污染物去除、劈裂水产氢、二氧化碳还原制碳氢化合物燃料以及选择性氧化有机合成等许多光催化领域.然而,聚集态层状结构和粉末物理状态严重限制了g-C_3N_4在非均相光催化反应中的实际应用.一方面,g-C_3N_4的聚集态层状结构限制了光生载流子的表面迁移并增加了光催化反应的传质阻力.另一方面,由于附加的固-液分离步骤,粉体g-C_3N_4不便于实际应用.因此,为解决g-C_3N_4的上述缺点,一些研究已经进行并集中于g-C_3N_4的形貌控制合成及负载.构建多孔微观结构是合成具有优异光催化活性g-C_3N_4的有效途径之一.本文研究表明,盐酸或乙二醇预处理的三聚氰胺均可用作制备多孔g-C_3N_4的前驱体.有趣的是,由于在多孔g-C_3N_4制备体系中不同制孔单元的共存,与通过盐酸或乙二醇单独预处理的三聚氰胺制备的多孔g-C_3N_4相比,通过二者共同预处理的三聚氰胺制备的多孔g-C_3N_4具有更丰富的多孔微观结构.与制备负载型二氧化钛不同,由于在制备g-C_3N_4过程中缺少溶胶-凝胶步骤,因此负载型g-C_3N_4较难制备.而且,对于氟-锡氧化物(FTO)基底负载的g-C_3N_4,在实际应用中存在一些不足.首先,FTO基底的片状物理结构不利于反应底物的扩散.其次,FTO基底的吸光效应会导致光能损失,因此g-C_3N_4只能在FTO基底的单面负载.最后,在g-C_3N_4和FTO基底之间无化学作用,因此在光催化反应过程中不可避免造成g-C_3N_4的损失.因此,以盐酸/乙二醇共同预处理的三聚氰胺作原料,氢氟酸/3-氨基丙基三甲氧基硅烷共同预处理的石英棒作基底,首次制备了多孔g-C_3N_4和负载型多孔g-C_3N_4.丰富的多孔微观结构使得所制多孔g-C_3N_4具有优异的光催化活性;且由于多孔g-C_3N_4与石英棒基底间存在化学作用,因而具有相当高的稳定性.另外,由于在构建石英棒反应器之后不影响光生载流子的表面迁移和目标有机污染物的扩散,因此负载型多孔g-C_3N_4的光催化活性与粉体多孔g-C_3N_4相似.所制备多孔g-C_3N_4和负载型多孔g-C_3N_4的光催化活性通过在可见光条件下单组份有机废水的处理进行初步评价.在有机污染物降解同时产氢系统中,由于水和有机污染物之间的氧化还原反应难于进行,因此与传统的光催化降解和产氢系统相比,所制多孔g-C_3N_4的氢气产率和降解效率均显著降低;然而,在有机污染物降解同时产氢系统中,随着该材料光催化活性的提高,氢气产率和降解效率同时提高.这是因为光催化剂电子传递能力的提高促进了有机污染物和水之间的氧化还原反应.     

一锅法制备Co3O4/g-C3N4复合光催化剂及其光催化性能

以三聚氰胺和六水合氯化钴为原料,一锅法制备Co_3O_4负载的多孔石墨相氮化碳(Co_3O_4/g-C_3N_4)复合光催化材料。采用X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外(FT-IR)光谱、X射线光电子能谱(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)、光致发光光谱(PL)等手段对其结构和光学特性进行表征。以盐酸四环素(TC)为目标污染物,评价了不同负载量Co_3O_4/g-C_3N_4复合光催化剂的可见光催化性能。结果表明,所制备的Co_3O_4/g-C_3N_4复合光催化剂为多孔结构,其比表面积较大,并在可见光区域具有显著的吸收。利用原位生成的Co_3O_4纳米粒子在氮化碳表面形成异质结构,可有效转移光生载流子,降低光生电子-空穴的再结合率,从而提高光催化活性。并且存在最佳Co_3O_4复合量,当六水合氯化钴加入量为三聚氰胺的8%(w/w)时,所制备的复合光催化剂CoCN-8具有最佳的光催化性能。在可见光的照射下,60 min内可降解85%的TC,而同样条件下,纯g-C_3N_4仅降解23%的TC。     

双助剂促进g-C3N4光解水制氢性能

氢能是最具应用前景的清洁能源之一,利用太阳能作为驱动力光催化水分解制取氢气已被广泛研究.作为非金属半导体光催化剂, g-C_3N_4具有合适的能带结构(2.71 eV),良好的可见光捕获能力和物理化学稳定性,因而有一定的光催化产氢能力;但是它具有可见光吸收能力(470 nm)不够、光生电子空穴容易复合等缺点,使其光催化制氢能力受到了极大限制.通过助剂修饰可有效促进载流子分离,增加反应活性位点及加速产氢动力学.因此,本文采用双助剂改性以提高g-C_3N_4的光催化制氢性能.本文首先采用原位煅烧法将银纳米粒子(AgNPs)沉积在g-C_3N_4表面(Ag/g-C_3N_4),随后利用水热法成功地将硫化镍(NiS)负载在Ag/g-C_3N_4复合材料表面.XRD, FT-IR, XPS和TEM结果表明,通过原位煅烧和水热合成法可以成功地将Ag和NiS均匀、稳定沉积在g-C_3N_4表面,并且g-C_3N_4保持原有结构不变.紫外可见吸收光谱(UV-Vis)、瞬态光电流、阻抗(EIS)和光致发光谱(PL)分析表明, AgNPs和NiS的引入不仅改善了体系的光吸收范围和强度,而且显著提高了体系光生电子和空穴的产生、分离性能,有助于提高光子利用效率.其中三元样品的最高光电流可以达到2.94′10–7 A·cm~(–2),是纯g-C_3N_4的3.1倍.对系列光催化剂的分解水制氢性能测试发现(采用300 W氙灯作为光源,三乙醇胺作为牺牲剂), 10wt%-NiS/1.0wt%-Ag/CN样品具有最优异的光催化分解水制氢性能,产氢速率可达9.728 mmol·g–1·h–1,是纯g-C_3N_4的10.82倍,二元10wt%-NiS/CN的3.45倍, 1.0wt%-Ag/CN的2.77倍.三元样品反应前后的XRD特征峰位置没有发生变化,循环四次后样品仍具有83%的催化活性,证明其具有良好的制氢稳定性.10 wt%-NiS/1.0 wt%-Ag/CN样品在可见光下(λ 420 nm)的制氢量子效率为1.21%.三元体系光催化产氢性能增强的原因在于:(1)Ag纳米颗粒的局域表面等离子体效应使得三元体系的光捕获能力得到提高;(2)Ag NPs和NiS负载在g-C_3N_4上共同促进了光生电子空穴的产生和分离;(3)Ag NPs和Ni S作为优良的析氢助催化剂沉积在g-C_3N_4表面上可以有效地提高产氢动力学.本文构建的NiS/Ag/g-C_3N_4复合体系为g-C_3N_4基复合光催化剂的设计及制备提供了新的思路.