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...     

石墨相氮化碳量子点的制备及应用的研究进展

近年来,石墨相氮化碳(g-C3N4)因其稳定的物理化学性能和良好的生物相容性而受到研究者关注。与块体g-C3N4相比,石墨相氮化碳量子点(g-CNQDs)尺寸更小、荧光效率更高,且具有量子限域效应,因此拥有特殊的理化性质与更好的光催化性能。本文主要从g-CNQDs的制备策略和应用展开讨论,着重综述了微波辅助法、低温固相法、热化学腐蚀法和电化学刻蚀法制备g-CNQDs,以及g-CNQDs在催化剂、离子检测、生物传感与诊疗等领域的最新应用研究进展;指出了目前g-CNQDs在性质、制备和应用等研究方面的重点和难点;最后对g-CNQDs存在的问题和未来的发展方向作出了展望。     

核黄素掺杂的新型石墨相氮化碳光催化剂的制备及其在四环素降解中的应用

针对g-C₃N₄有限的可见光吸收能力和容易复合的光生载流子限制其光催化性能发挥的问题,以尿素为前驱体,核黄素(RF）为掺杂试剂,通过一步热聚合制备了新型g-C₃N₄-RF光催化剂。系列表征测试(FT-IR,XRD,SEM,UV-vis DRS,PL）表明,该新型g-C₃N₄-RF光催化剂被成功制备,并具有优异的可见光吸收能力和有效的光生电子空穴对分离效率。光催化降解实验表明,该催化剂在可见光下对四环素抗生素具有优异的光催化降解性能。该研究为开发新型氮化碳光催化剂提供了新的思路,为抗生素污染物的高效去除提供了新的线索。

     

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.     

石墨相氮化碳的化学合成及应用

石墨相氮化碳(g-C₃N₄)具有独特的电子结构和优异的化学稳定性, 近年来不仅被作为不含金属组分的催化剂和催化剂载体, 广泛地应用于有机官能团的选择性转换、光催化分解水、氧还原和Au、Pd、Ag、Pt等贵金属的负载, 还被作为绿色储能材料和硬模板剂用于H₂、CO₂的存储和纳米金属氮(氧)化物的制备等, 在能源和材料相关领域逐渐引起人们的关注. 本文将从材料的制备和应用角度,综述国内外同行近年来在g-C₃N₄研究中所取得的一些重要进展, 并对其未来发展趋势,特别是在能源和环境领域中的应用进行了展望.     

石墨相氮化碳的模板法制备、表征及光催化性能测试综合化学实验

采用简单原料（单氰胺、硅溶胶）利用模板法制备石墨相氮化碳,并对所得产物进行结构表征与形貌分析。采用光催化降解亚甲基蓝实验评价石墨相氮化碳的可见光催化性能,得到降解反应动力学方程与降解速率常数。通过实验,可使学生熟悉纳米材料可控制备中常用的模板法,对产物的测试与表征有利于加深学生对光催化材料结构与性能的了解。实验涉及多个学科领域,有利于拓宽学生知识面,培养学生科研创新能力。     

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。     

增大石墨相氮化碳层间距提升光催化制氢性能

石墨相氮化碳是一类非金属聚合物,其光催化特性,特别是在光催化水分解反应中的应用引起了广泛关注.目前,块体石墨相氮化碳的光催化性能主要受比表面积较大、光子利用率较低等因素的制约.前期大量研究主要采用异质元素掺杂、负载助催化剂、设计缺陷、构建异质结构等策略来进一步提升光催化性能.石墨相氮化碳具有二维层状的晶体结构,理论上其形貌和显微结构会对光催化性能有显著影响.因此,本文从调节材料本征结构这一角度,报道了一种调控石墨相氮化碳层间距的方法.将三聚氰胺和氯化铵混合后,通过微波快速加热,利用氯化铵分解过程中释放氨气这一特性,破坏石墨相氮化碳层间的范德华力,增大其层间距并成功获得了薄片状结构.同时,微波加热可以实现快速升温,有效避免了电炉加热煅烧时间较长导致前驱体挥发的问题.采用扫描电子显微镜、氮气等温吸脱附曲线、X射线衍射、红外光谱、紫外-可见吸收光谱、荧光光谱、光催化制氢和电化学测试等表征手段,研究了不同氯化铵含量对石墨相氮化碳层间距的作用以及调控层间距对光催化活性的影响.通过扫描电子显微镜观察,与三聚氰胺加热所得到的块状结构相比,适量的氯化铵(氯化铵质量比为11％)和三聚氰胺在微波快速加热处理后可以获得薄片状结构.氮气等温吸脱附曲线进一步证实了显微结构的变化,薄片状结构和块体结构相比BET比表面积提升了2.1倍.X射线衍射分析证实随着氯化铵含量的增加,(002)衍射峰位置左移,意味着层间距逐渐增大.红外光谱则没有明显的变化,说明氯化铵和三聚氰胺共烧并不会改变石墨相氮化碳的化学结构.光催化制氢测试发现,添加适量的氯化铵和三聚氰胺共烧可以明显提升光催化制氢性能.与块体材料(4.67μmol h?1)相比,层间距增大后光催化活性提升了约5倍(23.6μmol h?1).结合紫外-可见吸收光谱和电化学莫特肖特基测试,我们发现层间距增大后可以显著提升石墨相氮化碳的可见光吸收性质,减小带宽,并获得更为合适的能级结构.且样品的导电性能得到改善,有利于电荷传输,光生电子空穴对的分离效率进一步提升.以上结果说明调控石墨相氮化碳的层间距是一种简单有效提升催化剂光催化性能的手段.     

增大石墨相氮化碳层间距提升光催化制氢性能

石墨相氮化碳是一类非金属聚合物,其光催化特性,特别是在光催化水分解反应中的应用引起了广泛关注.目前,块体石墨相氮化碳的光催化性能主要受比表面积较大、光子利用率较低等因素的制约.前期大量研究主要采用异质元素掺杂、负载助催化剂、设计缺陷、构建异质结构等策略来进一步提升光催化性能.石墨相氮化碳具有二维层状的晶体结构,理论上其形貌和显微结构会对光催化性能有显著影响.因此,本文从调节材料本征结构这一角度,报道了一种调控石墨相氮化碳层间距的方法.将三聚氰胺和氯化铵混合后,通过微波快速加热,利用氯化铵分解过程中释放氨气这一特性,破坏石墨相氮化碳层间的范德华力,增大其层间距并成功获得了薄片状结构.同时,微波加热可以实现快速升温,有效避免了电炉加热煅烧时间较长导致前驱体挥发的问题.采用扫描电子显微镜、氮气等温吸脱附曲线、X射线衍射、红外光谱、紫外-可见吸收光谱、荧光光谱、光催化制氢和电化学测试等表征手段,研究了不同氯化铵含量对石墨相氮化碳层间距的作用以及调控层间距对光催化活性的影响.通过扫描电子显微镜观察,与三聚氰胺加热所得到的块状结构相比,适量的氯化铵(氯化铵质量比为11％)和三聚氰胺在微波快速加热处理后可以获得薄片状结构.氮气等温吸脱附曲线进一步证实了显微结构的变化,薄片状结构和块体结构相比BET比表面积提升了2.1倍.X射线衍射分析证实随着氯化铵含量的增加,(002)衍射峰位置左移,意味着层间距逐渐增大.红外光谱则没有明显的变化,说明氯化铵和三聚氰胺共烧并不会改变石墨相氮化碳的化学结构.光催化制氢测试发现,添加适量的氯化铵和三聚氰胺共烧可以明显提升光催化制氢性能.与块体材料(4.67μmol h?1)相比,层间距增大后光催化活性提升了约5倍(23.6μmol h?1).结合紫外-可见吸收光谱和电化学莫特肖特基测试,我们发现层间距增大后可以显著提升石墨相氮化碳的可见光吸收性质,减小带宽,并获得更为合适的能级结构.且样品的导电性能得到改善,有利于电荷传输,光生电子空穴对的分离效率进一步提升.以上结果说明调控石墨相氮化碳的层间距是一种简单有效提升催化剂光催化性能的手段.     

石墨相氮化碳在光催化苯甲醛氧化耦合制氢领域的研究进展

石墨相氮化碳(g-C₃N₄)是一类非金属聚合物半导体材料, 具有良好的可见光响应、 优异的化学稳定性和可调节的能带结构, 在光催化分解水制氢、 空气净化、 环境修复等领域有着广阔的应用前景. 目前, g-C₃N₄光催化分解水的研究主要聚焦析氢半反应, 而牺牲试剂的氧化反应以及光生空穴则未被加以利用. 光催化苯甲醇氧化反应具有较高的选择性, 在光催化制氢的同时还能够获得苯甲醛. 我们结合最新国内外研究成果, 系统地综述了g-C₃N₄在光催化苯甲醇氧化耦合制氢方面的应用, 从分子改性、 显微结构及缺陷调控、 非金属元素掺杂、 金属负载和复合材料设计等5个方面介绍了g-C₃N₄光催化苯甲醇氧化提升性能的研究策略. 重点总结了g-C₃N₄的结构和光生载流子分离效率对催化性能的影响, 并对g-C₃N₄光催化苯甲醛氧化耦合制氢的后续发展进行了展望.     

Helical Graphitic Carbon Nitrides with Photocatalytic and Optical Activities

Graphitic carbon nitride can be imprinted with a twisted hexagonal rod‐like morphology by a nanocasting technique using chiral silicon dioxides as templates. The helical nanoarchitectures promote charge separation and mass transfer of carbon nitride semiconductors, enabling it to act as a more efficient photocatalyst for water splitting and CO₂ reduction than the pristine carbon nitride polymer. This is to our knowledge a unique example of chiral graphitic carbon nitride that features both left‐ and right‐handed helical nanostructures and exhibits unique optical activity to circularly polarized light at the semiconductor absorption edge as well as photoredox activity for solar‐to‐chemical conversion. Such helical nanostructured polymeric semiconductors are envisaged to hold great promise for a range of applications that rely on such semiconductor properties as well as chirality for photocatalysis, asymmetric catalysis, chiral recognition, nanotechnology, and chemical sensing.     

介孔氮化碳的合成及其在环境卫生领域中的应用

石墨相氮化碳是一种新兴的二维蜂窝状纳米材料,其结构中C原子和N原子以sp2方式杂化,通过PZ轨道上的孤对电子相互作用形成类似于苯环的π键,构成高度离域的共轭体系。这一独特结构使其可与一些离子或分子产生疏水、π－π键、氢键和静电力等相互作用,进而成为一种颇具潜力的吸附剂。但同时石墨相氮化碳本身紧密堆叠的层状结构导致其比表面积较小（< 10 m2/g）。介孔氮化碳应运而生,其具有孔尺寸为2～50 nm的典型介孔结构,与石墨相氮化碳相比,比表面积和孔体积获得有效提高且吸附位点更加丰富。该文总结了介孔氮化碳的合成方法及其在环境卫生领域的应用,并展望了其发展方向。     

Phosphorus‐Doped Graphitic Carbon Nitrides Grown In Situ on Carbon‐Fiber Paper: Flexible and Reversible Oxygen Electrodes

Flexible non‐metal oxygen electrodes fabricated from phosphorus‐doped graphitic carbon nitride nano‐flowers directly grown on carbon‐fiber paper exhibit high activity and stability in reversibly catalyzing oxygen reduction and evolution reactions, which is a result of N, P dual action, enhanced mass/charge transfer, and high active surface area. The performance is comparable to that of the state‐of‐the‐art transition‐metal, noble‐metal, and non‐metal catalysts. Remarkably, the flexible nature of these oxygen electrodes allows their use in folded and rolled‐up forms, and directly as cathodes in Zn–air batteries, featuring low charge/discharge overpotential and long lifetime.     

Copper Phthalocyanine‐Functionalized Graphitic Carbon Nitride: A Hybrid Heterostructure toward Photoelectrochemical and Photocatalytic Degradation Applications

In this work, alcian blue 8GX (AB), a copper(II) phthalocyanine derivative, was employed to functionalize graphitic carbon nitride (g‐C₃N₄) for the preparation of a highly efficient photocatalyst. The approach relies on a facile AB‐assisted ethanol/water mixed‐solvent exfoliation of bulk g‐C₃N₄. The as‐prepared g‐C₃N₄/AB hybrid possesses significantly enhanced solution dispersibility and photoelectrochemical performance resulting from the synergistic effect between g‐C₃N₄ and AB, which involves the optimization of intimate interfacial contact, extension of light absorption range, and enhancement of charge‐transfer efficiency. This synergy contributes enormously to the photocatalytic degradation of rhodamine 6G (R6G) under light irradiation.     

Hollow Carbon Sphere-Modified Graphitic Carbon Nitride for Efficient Photocatalytic H2 Production

A novel hybrid photocatalyst composed of hollow carbon nanospheres (NCS) and graphitic carbon nitride (CN) curly nanosheets has been prepared by the calcination of a NCS precursor and freeze-dried urea. The optimized photocatalyst exhibits an efficient photocatalytic performance under visible light irradiation with a highest H₂ generation rate of 3612.3 μmol g⁻¹ h⁻¹, leading to an apparent quantum yield of 10.04 % at 420 nm, five times higher than the widely reported benchmark photocatalyst CN (2.01 % AQY). The materials characterization shows that NCS-modified CN curly nanosheets can promote photoelectron transfer and suppress charge recombination through their special coupling interface and NCS as an electron acceptor, which significantly improves the photocatalytic efficiency. Thus, this study provides an efficient strategy for the design of highly efficient photocatalyst, particularly suitable for a totally metal-free photocatalytic system.     

基于Pd/g-C3N4-SWCNTs的雌二醇电化学传感器构建及应用研究

利用表面具有丰富π电子的三聚氰胺(MAM)和单壁碳纳米管(SWCNTs)作为前驱体,通过固体研磨-热聚合法使二者通过π-π静电作用堆叠得到类石墨相氮化碳(Graphitic carbon nitride,g-C_3N_4)-SWCNTs复合材料,然后利用Na_2PdCl_4为Pd纳米粒子前体,通过自组装对g-C_3N_4-SWCNTs进行功能化修饰,得到Pd/g-C_3N_4-SWCNTs复合物。采用SEM、TEM、XRD、FTIR对该复合材料的形貌和组成进行表征,并利用循环伏安等电化学方法研究了该材料对雌二醇(E2)的电催化氧化性能。结果显示,雌二醇在Pd/g-C_3N_4-SWCNTs修饰电极上的响应电流明显大于其在g-C_3N_4、g-C_3N_4-SWCNTs修饰电极和裸玻碳电极上的响应。在优化实验条件下,采用示差脉冲伏安法考察了基质样品中E2的氧化峰电流与其浓度的关系,其氧化峰电流强度与其浓度在5～150μmol/L范围内呈良好的线性关系,线性方程为:I_(pa)(μA)=0.834 7+0.007 0C_(E2)(r=0.990),检出限(LOD,S/N=3)为1.7μmol/L。该传感器具有良好的稳定性和选择性,且与HPLC在方法学上无显著性差异,可满足饲料样品中E2的检测需求。     

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。     

Solar Light Active Graphitic Carbon Nitride/Biochar Nanocomposite for RhB Dye Degradation

In this work, nanocomposite graphitic carbon nitride/biochar is successfully prepared by physical mixing method to achieve efficient charge separation and photodegradation of RhB dye under sunlight. The biochar is synthesized by heating biomass in muffle furnace in an inert atmosphere. The graphitic carbon nitride is prepared using melamine as a precursor and heating it in a muffle furnace in air atmosphere. The structural characterizations FTIR and X-ray diffraction are done to confirm the functional groups and crystallography of prepared samples. The photodegradation of RhB dye by nanocomposite is analyzed using a UV–visible spectrophotometer under solar irradiation. It is found that the RhB dye is completely reduced by the nanocomposite in less than 6 min in the presence of sunlight. The kinetic study confirms the photodegradation of RhB dye is first order reaction and rate constant is found to be 0.31 min⁻¹.     

石墨相氮化碳的制备及其在检测重金属离子Cd（Ⅱ）中的应用

以石墨相氮化碳(g-C3N4)修饰玻碳电极在醋酸-醋酸钠缓冲液中,采用方波溶出伏安法检测重金属离子Cd(Ⅱ)。优化了玻碳电极表面负载量、缓冲溶液pH值、富集电势等因素对检测效果的影响。在溶液pH 4.5,富集电位为-1.2 V,富集时间为5 min,玻碳电极表面修饰量为10μL的实验条件下,标准曲线呈现良好的线性关系,线性范围为1.0×10-7~1.4×10-5mol/L,线性方程为I(μA)=8.03 c(μmol/L)-2.00,r=0.998 5,检出限(3σ)达3.3×10-8mol/L。常见无机盐离子对修饰电极无干扰。用于自来水样中镉离子的测定,加标回收率为98.8%~99.6%,实验结果与原子吸收光谱法一致。