高活性氮化碳纳米片的制备策略

Layered graphitic carbon nitride (g-C₃N₄) is a typical polymeric semiconductor with an sp² π-conjugated system having great potential in energy conversion, environmental purification, materials science, etc., owing to its unique physicochemical and electrical properties. However, bulk g-C₃N₄ obtained by calcination suffers from a low specific surface area, rapid charge carrier recombination, and poor dispersion in aqueous solutions, which limit its practical applications. Controlling the size of g-C₃N₄ (e.g., preparing g-C₃N₄ nanosheets) can effectively solve the above problems. Compared with the bulk material, g-C₃N₄ nanosheets have a larger specific surface area, richer active sites, and a larger band gap due to the quantum confinement effect. As g-C₃N₄ has a layered structure with strong in-plane C-N covalent bonds and weak van der Waals forces between the layers, g-C₃N₄ nanosheets can be prepared by exfoliating bulk g-C₃N₄. Alternatively, g-C₃N₄ nanosheets can otherwise be obtained through the anisotropic assembly of organic precursors. Nevertheless, some of these methods have various limitations, such as high energy consumption, are time consuming, and have low yield. Accordingly, developing green and cost-effective exfoliation and preparation strategies for g-C₃N₄ nanosheets is necessary. Herein, the research progress of the exfoliation and preparation strategies (including the thermal oxidation etching process, the ultrasound-assisted route, the chemical exfoliation, the mechanical method, and the template method) for two-dimensional C₃N₄ nanosheets are introduced. Their features are systematically analyzed and the perspectives and challenges in the preparation of g-C₃N₄ nanosheets are discussed. This study emphasizes the following: (1) The preparation method of g-C₃N₄ nanosheets should be properly selected according to the practical application needs. Additionally, various strategies (such as chemical method and ultrasonic method) can be combined to exfoliate nanosheets from bulk g-C₃N₄; (2) More reasonable nano- or even subnanostructured g-C₃N₄ nanosheets should be continuously explored; (3) Novel modification strategies, such as defective engineering, heterojunction construction, and surface functional group regulation, should be introduced to improve the reactivity and selectivity of the g-C₃N₄ nanosheets; (4) The application of in situ characterization techniques (such as in situ diffuse reflectance infrared Fourier transform spectroscopy (DRIFTS), electron spin resonance (ESR) spectroscopy, and Raman spectroscopy) should also be strengthened to monitor the detailed catalytic process and investigate the g-C₃N₄ nanosheet structure-efficiency relationship. (5) To gain a deeper understanding of the relationship between the macroscopic properties and the microscopic structure, the combination of theoretical calculations and experimental results should be strengthened, which will be beneficial for exploiting high-quality g-C₃N₄ nanosheets.      

CoNi双金属改性石墨相氮化碳的制备及光催化性能的研究

采用简单的化学还原法在g-C₃N₄纳米片上原位合成了一种小尺寸CoNi双金属助催化剂并研究了其光催化活性。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(UV-vis DRS)、X射线光电子能谱(XPS)、光致发光(PL)、电化学阻抗(EIS)等手段对制备的CoNi/g-C₃N₄的理化性能进行了表征。光催化降解RhB实验表明,CoNi双金属助催化剂能有效提高g-C₃N₄中光生载流子的分离效率,从而提高光催化活性。当CoNi物质的量比为1:1时,CoNi/gC₃N₄的催化活性最高,其降解速率为0.01633 min^-1,在可见光照射下比g-C₃N₄提高3.9倍,该光催化剂在五次循环后仍能保持良好光催化活性,该反应的主要活性物种为超氧自由基(·O₂^-)。     

类石墨相氮化碳改性研究进展

类石墨相氮化碳(g-C3N4)是一种不含金属的半导体材料,它具有制备方法简单、合成原材料价格低廉、含量丰富,具有很好的物理化学性质及热稳定性等优点,并且其较窄的禁带宽度满足可以直接吸收一部分可见光的要求,这些特有的优势使其一度成为人们研究和关注的焦点.然而,它的比表面积小、光生电子和空穴复合率高以及可见光利用率不足等弊...     

高温氮化热聚合法制备氮化碳框架材料用于可见光光催化反应

石墨相氮化碳是一种聚合物半导体材料(带隙宽度约为2.7 eV),具有独特的和可调控的光学和电子性质,能够作为半导体光催化剂用于驱动一系列光催化反应,在能源和环境领域具有潜在应用前景.利用简单的热聚合法,在空气或氮气中高温焙烧(500？700 oC)富氮前驱体可以合成氮化碳聚合物.通常,这些富氮前驱物含有三嗪单元(如三聚氰胺和三聚硫氰酸原料)或在热聚合过程中会生成三嗪单元(如氰胺和二聚氰胺原料).由于热聚合反应过程受到反应动力学限制,氮化碳半导体材料的聚合度和结晶度不高,且比表面积较小,使其在光催化反应过程中存在传质作用差、激子结合能高和光生载流子复合严重等问题,不利于光催化反应进行.本课题组发展了氮化碳光催化剂的合成新方法(高温氮化),该方法抑制了热聚合过程中三嗪中间体的快速分解,促进了氮化碳的聚合.我们将所制备的催化剂用于光催化分解水产氢反应,发现高温氮热反应制备的氮化碳样品(CNC)的催化性能显著优于传统氮化碳.傅立叶红外光谱(FT-IR)、X射线光电子能谱(XPS)和13C固体核磁共振谱(13C NMR)的表征结果表明, CNC光催化剂具有与传统氮化碳类似的化学结构和组成(七嗪基本结构单元).然而,对于高温氮化热聚合方法制备得到的七嗪基氮化碳聚合物光催化性能增强的原因并不清楚.基于此,本文采用X射线粉末衍射(XRD)、场发射透射电镜(FE-TEM)、原子力显微镜(AFM)和比表面积(BET)测试等手段研究了不同制备方法得到的氮化碳基光催化剂在可见光光催化分解水产氢反应中催化性能差异的原因. XRD结果表明, CNC系列样品的XRD谱与体相氮化碳相似,具有石墨相氮化碳特征的层间堆积(002)衍射峰和面内重复单元(100)衍射峰.与传统石墨相氮化碳相比, CNC在27o附近的衍射峰发生明显偏移.其(002)晶面衍射峰从27.5o增大到27.8o,使(002)晶面间距从0.325 nm减小到0.322 nm.进一步观察发现, CNC系列样品与体相氮化碳相比,其衍射峰出现明显窄化,且衍射强度增加,表明由高温氮化热聚合法制得的产物具有更好的结晶度.通常,半导体晶体结构缺陷会阻碍光生载流子的快速迁移和分离,提高氮化碳聚合物的结晶度可有效改善其光催化氧化还原反应. TEM结果表明,传统石墨相氮化碳是由大块的(厚重的)片层堆积形成,而高温氮化合成的CNC-3则是由纳米薄片组成,这种形貌差异可能是因为活性前驱体(氨气和三聚氰氯)的使用改善了反应动力学过程.另外, CNC-3纳米片上有一些地方发生卷曲,这种卷曲能够有效减小纳米片表面张力,降低其表面能,使纳米片结构稳定存在,类似于石墨烯中的碳卷曲行为. CNC-3的AFM结果进一步证实形成了纳米片结构,其厚度均匀,约为3–6 nm.我们构筑的这种纳米薄片结构具有高度敞开的平面结构,有利于光生电子-空穴从体相迁移到表面,可有效提高半导体的光催化性能. BET结果表明, CNC系列样品的比表面积均比传统g-C3N4的比表面积大,且随焙烧温度升高而增大. CNC光催化剂增大的比表面积改善了多相光催化反应的传质扩散过程,增加了表面反应活性位,有利于提高氮化碳聚合物的光催化活性.     

铈掺杂石墨相氮化碳的合成及可见光光催化性能

以硝酸铈和三聚氰胺为原料,采用热解法合成系列Ce掺杂石墨相氮化碳(g-C_3N_4).采用X射线衍射仪(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)、紫外-可见漫反射光谱仪(UV-Vis DRS)、荧光光谱仪(PL)和X射线光电子能谱仪(XPS)等对样品进行了表征.结果表明,Ce掺杂使g-C_3N_4晶粒尺寸减小,比表面积增大,光生电子/空穴对复合几率降低,并影响到能带结构.在可见光下光催化降解亚甲基蓝水溶液的结果表明,Ce掺杂g-C_3N_4的可见光光催化活性远优于纯g-C_3N_4.其中,0.10-Ce-C_3N_4样品80 min内对亚甲基蓝的降解率高达98.51%,速率常数达0.0506 min~(-1),是纯g-C_3N_4的4.9倍.     

高结晶氮化碳空心球的制备及其增强光催化产氢活性

石墨烯型氮化碳(g-C3N4)已经成为解决环境污染和能源危机问题的较为理想的光催化剂,但由于其较低的比表面积和较高的光生载流子重组效率而表现出较弱的光催化活性.因此,研究者们已经提出了许多策略,例如纳米结构设计,杂原子掺杂和增加结晶度,用来克服氮化碳的这些缺点,从而提高其光催化性能.其中,引起了较多关注的是增加g-C3...     

氮缺陷石墨相氮化碳的制备及其光催化降解环境有机污染物性能

通过在三聚氰胺热分解过程中加入NaHCO₃制备出具有氮缺陷的石墨相氮化碳（g-C₃N₄）,利用X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、N₂吸附-脱附、X射线光电子能谱（XPS）、紫外-可见漫反射光谱（UV-vis DRS）和固体荧光光谱（PL）等方法对其进行表征,并在可见光（λ> 420nm）照射下,以水相中罗丹明B（RhB）的降解为模型反应,研究了该氮缺陷g-C₃N₄对有机污染物降解的光催化活性。结果表明,引入氮缺陷可以提高g-C₃N₄对可见光的吸收以及电子-空穴对的分离效率,进而提高g-C₃N₄的可见光催化活性。催化剂CNK0.005、CNK0.01和CNK0.05在30min内对RhB的降解率分别为79.8%、100.0%和87.6%;而在相同条件下,没有氮缺陷的g-C₃N₄对RhB的降解率仅为59.8%。     

泡沫状氮化碳的制备及其可见光分解水产氢性能

以三聚氰胺为前驱体,价格低廉、来源广泛的海泡石作为硬模板,制备出具有特殊空腔结构的泡沫状氮化碳。 通过透射电子显微镜、X射线粉末衍射、傅里叶变换红外光谱、N₂吸附-脱附、紫外可见漫反射光谱及荧光光谱等手段对样品的表面形貌和结构等物理性质进行表征,以光解水产氢性能考察其光催化活性,并通过电化学测试手段考察其光生电荷传输和分离情况。 结果表明,聚多巴胺能起到粘接剂作用,改善了前驱体与模板的结合,制备出的泡沫状氮化碳具有更大的比表面积;随模板用量增加,氮化碳的比表面积增大,当聚多巴胺改性海泡石与三聚氰胺质量比为2:1时,泡沬状氮化碳比表面积可达389.2 m²/g,其可见光产氢速率约为1061.87 μmol/(g·h),较体相氮化碳和未经多巴胺改性海泡石制备的氮化碳分别提高了7和2.6倍。 这表明大比表面积的泡沫状氮化碳为光催化反应提供了更多的活性位点,改善了多相光催化反应的传质扩散过程,提高了光生电子-空穴的分离效率,其特殊的空腔结构能有效地提高光的利用率,从而提高其光催化活性。     

石墨相氮化碳的改性及在环境净化中的应用

利用半导体光催化剂技术可以将环境污染物进行分解、转化和矿化,是解决环境污染问题的一条有效途径.聚合物半导体石墨相氮化碳(g-C₃N₄)具有独特的电子结构和化学性质,是一种新型的非金属功能性材料,在利用太阳能转化清洁能源和化学合成领域受到广泛关注.近几年,g-C₃N₄的开发使得利用半导体光催化技术进行环境净化的研究取得了进一步发展.本文围绕g-C₃N₄作为催化材料在环境净化中的应用,包括对水体有机污染物、细菌、大气污染物、重金属离子、CO₂等的分解转化等,综述国内外近年来的一些重要研究进展.并以在降解有机污染物中的应用为例对g-C₃N₄性能优化的各种改性措施进行了总结.最后,本文对g-C₃N₄在光催化环境净化反应过程的反应机理进行总结,并对未来发展趋势进行展望.     

氧掺杂氮化碳纳米片的制备及其光解水制氢性能

以草酸为氧源,二聚氰胺和尿素为原料,采用两步热聚合方式合成氧掺杂氮化碳纳米片催化剂(CNO)。利用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)、X射线光电子能谱分析(XPS)、荧光光谱(PL)及电化学测试等技术对催化剂进行结构表征分析。在可见光照射下通过分解水制氢反应对CNO的光催化还原性能进行评价。结果表明,草酸中的O元素通过取代氮化碳三嗪环结构中N原子直接键合到sp~2杂化碳上,形成O掺杂CNO。经O掺杂改性后的氮化碳具有良好的层状堆积结构,可见光吸收性明显提高,同时禁带宽度降低。O掺杂的引入加速了光生电子-空穴对的分离和传输,能大幅度提高氮化碳的光催化分解水制氢性能,在可见光照下达88.6μmol·h~(-1),是未掺杂CN的3.91倍。     

类石墨相C3N4光催化剂改性研究

半导体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,因此其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。类石墨相氮化碳(g-C₃N₄)具有独特的电子能带结构、优异的热稳定性以及化学稳定性,因此g-C₃N₄作为一种廉价的无金属光催化剂被广泛应用于光解水制氢产氧、污染物降解、光催化CO₂还原、抗菌和有机官能团选择性转换等领域。然而,传统热缩聚法合成的g-C₃N₄光催化剂比表面积小、禁带宽度大、光生电子-空穴易于复合、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-C₃N₄的光催化活性,出现了多种改性方法。本文针对g-C₃N₄光催化剂的改性研究,综述了近年来国内外在g-C₃N₄光催化剂改性方面的重要研究进展,如采用模板法优化g-C₃N₄的纳米结构、元素掺杂及共聚合调控g-C₃N₄的能带结构、贵金属沉积或半导体复合提高光生载流子分离效率等。最后,本文还展望了g-C₃N₄光催化剂在改性方面的未来发展趋势。     

球磨干湿环境对原位硫掺杂氮化碳可见光催化性能的影响

以硫脲为原料,通过简单绿色的球磨法提高原位硫掺杂g-C3N4的光催化活性。利用X射线衍射、扫描电子显微镜、元素分析、X射线光电子能谱、紫外-可见漫反射光谱及光致发光光谱等测试方法对其结构和光学特性进行表征。以亚甲基蓝为目标污染物,评价了在不同物料溶剂比下球磨的硫掺杂g-C3N4的可见光催化性能。结果表明,湿式球磨后的硫掺杂g-C3N4光催化剂比表面积增大,反应活性位点的数量增加,带隙宽度也适当增大,氧化还原能力增强。另外,湿式球磨后样品的表面缺陷减少,聚合度增加,促进了光生电子-空穴的有效分离和转移,从而降低其复合率,协同提高了硫掺杂g-C3N4的可见光催化性能。湿式球磨后的样品在可见光照射下对亚甲基蓝的降解速率分别比未球磨的样品和干式球磨后的样品提高了1.5和3.6倍。     

多孔纳米片状石墨相氮化碳的制备及其可见光催化

以三聚氰胺和硫脲为前驱体,通过简易的氧气刻蚀制备了多孔纳米片状氮化碳。相比于三聚氰胺制备的薄片状氮化碳(MCNS),以硫脲制备的多孔纳米片状的g-C_3N_4(TCNS)片层更薄,其单片厚度约为30 nm,且TCNS的层状结构明显,能带隙约为3.03 eV,高于石墨相氮化碳(2.77 eV),更宽的禁带赋予载流子更强的氧化还原能力。较大的比表面积(114 m~2·g~(-1))可以提供更多的活性位点,同时纳米片状结构可以促进电子与空穴的有效分离和转移,且能有效地降低光生载流子的复合率,因而TCNS具有更高的光催化活性。     

多孔纳米片状石墨相氮化碳的制备及其可见光催化

以三聚氰胺和硫脲为前驱体,通过简易的氧气刻蚀制备了多孔纳米片状氮化碳。相比于三聚氰胺制备的薄片状氮化碳（MCNS）,以硫脲制备的多孔纳米片状的g-C₃N₄（TCNS）片层更薄,其单片厚度约为30 nm,且TCNS的层状结构明显,能带隙约为3.03 eV,高于石墨相氮化碳（2.77 eV）,更宽的禁带赋予载流子更强的氧化还原能力。较大的比表面积（114 m²·g^-1）可以提供更多的活性位点,同时纳米片状结构可以促进电子与空穴的有效分离和转移,且能有效地降低光生载流子的复合率,因而TCNS具有更高的光催化活性。     

氮化碳聚合物半导体光催化

半导体光催化技术通过太阳光驱动一系列重要的化学反应,将低密度的太阳能转化为高密度的化学能或直接降解和矿化有机污染物,在解决能源短缺和环境污染等问题方面具有重要的应用前景。最近,聚合物半导体石墨相氮化碳（g-C₃N₄）,由于优异的化学稳定性和独特的电子能带结构,被作为一种廉价、稳定、不含金属组分的可见光光催化剂广泛应用于太阳能的光催化转化,如光解水产氢产氧、有机选择性光合成和有机污染物的降解等,引起人们的关注。本文将围绕g-C₃N₄光催化剂的改性研究,综述国内外近年来在g-C₃N₄光催化领域所取得一些重要进展,比如理论研究g-C₃N₄的组成结构及化学性质、金属/非金属掺杂调控g-C₃N₄的半导体能带结构、软/硬模板法优化g-C₃N₄的纳米结构、表面化学修饰改进g-C₃N₄的表面反应动力学过程及半导体复合提高光生载流子的分离效率等。最后,本文还对g-C₃N₄光催化的未来发展趋势进行展望。     

Embedding Carbon Nitride into a Covalent Organic Framework with Enhanced Photocatalysis Performance

We report a new strategy to construct porous carbon nitride (PCN) by embedding a heptazine unit–the primary building block of carbon nitride–into the backbone of a covalent organic framework (COF). The strategy results in a new type of PCN which bears a fibrous morphology, high surface area and wide visible absorption. The photocatalytic performance was evaluated by photodegradation of an organic dye. We found that the introduction of the heptazine unit has a prominent effect on the catalytic activity, which demonstrates an effective strategy to prepare carbon nitride materials. This work opens up a new way for the preparation of carbon nitride for photocatalysis applications.     

碳纳米管改性g-C3N4提升可见光催化降解性能

以尿素为原料,引入少量的多壁碳纳米管(CNT)改性,采用简便方法制备CNT/g-C_3N_4催化剂。利用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、傅里叶红外光谱仪(FT-IR)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、紫外-可见-近红外分光光度计(UV-Vis-NIR Spectrophotometer)、荧光光谱(PL)等手段对CNT/g-C_3N_4催化剂进行表征。结果表明,g-C_3N_4与CNT之间的协同作用,影响了gC_3N_4的能带结构,增强了其对可见光的吸收,改善了光生载流子的分布,提高了电子-空穴对的分离效率。并以罗丹明B(RhB)水溶液模拟废水,在可见光下考察催化剂的光催化降解性能,发现当CNT掺杂量为0.1%(w/w)时效果最佳,降解速率常数是体相g-C_3N_4的3.1倍,且研究发现超氧自由基是该体系下的主要活性物种。     

晶态氮化碳薄膜的低温合成

The synthesis of carbon nitride films at low temperature has been investigated using pulsed arc discharge from methanol solution with nitrogen atmosphere. Raman spectra and X-ray diffraction (XRD) analysis suggest that crystalline carbon nitride films may be prepared at low substrate temperature (220 ℃). At same time, the substrate temperature has a significantly effect on the nitrogen content and structure of the films. Increasing substrate temperature (300 ℃) would decrease the content of nitrogen in the films and result in a formation of carbon films.