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.     

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/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。     

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.     

石墨相氮化碳的红外辅助微波法制备及光催化固氮性能

采用红外辅助微波法制备了可见光下具有优越固氮性能的石墨相氮化碳催化剂(g-C3N4).采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、氮气吸附、紫外-可见光谱(UV-Vis)、荧光光谱(PL)、N2-程序升温脱附(TPD)和电子顺磁共振谱(EPR)等对催化剂进行了表征.结果表明,微波处理在催化剂表面形成许多孔状结构,增大了催化剂的比表面积,抑制了催化剂光生电子-空穴的复合;微波处理还会产生大量氮空穴,这些氮空穴一方面可以吸附并活化氮气分子,另一方面可提升电荷从催化剂到氮气分子的界面转移能力,显著提高催化剂的光催化固氮性能.采用红外辅助微波法制备的g-C3N4催化剂比采用单纯微波法制备的催化剂具有更多的氮空穴,表现出更高的光催化固氮性能.     

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.     

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。     

石墨相氮化碳纳米管的合成及光催化产氢性能

通过硬模板法,采用氰胺前驱物和二氧化硅纳米管(SiO₂-NTs)模板,合成石墨相氮化碳纳米管(CN-NTs)光催化剂。采用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线粉末衍射(XRD)、傅立叶变换红外光谱(FT-IR)、氮气吸附/脱附测试、紫外可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)、荧光光谱、热重分析(TGA)等手段对CN-NTs催化剂的结构与性能进行表征。结果表明,CN-NTs的化学组成是石墨相氮化碳(g-C₃N₄),形貌为均匀的纳米管,且是介孔材料。与体相氮化碳(B-CN)和介孔石墨相氮化碳(mpg-CN)相比,CN-NTs的光吸收带边蓝移到440 nm,荧光发射谱的峰强减弱。在可见光(λ>420 nm)照射下,CN-NTs具有较高的光催化分解水活性,产氢速率为58 μmol/h,且表现出良好的光催化活性稳定性和化学结构稳定性。研究结果表明纳米管状结构能有效促进g-C₃N₄半导体激子解离,提高光生电子-空穴的分离效率,进而显著优化g-C₃N₄的光催化产氢性能。     

Designing a 0D/2D S‐Scheme Heterojunction over Polymeric Carbon Nitride for Visible‐Light Photocatalytic Inactivation of Bacteria

Constructing heterojunctions between two semiconductors with matched band structure is an effective strategy to acquire high‐efficiency photocatalysts. The S‐scheme heterojunction system has shown great potential in facilitating separation and transfer of photogenerated carriers, as well as acquiring strong photoredox ability. Herein, a 0D/2D S‐Scheme heterojunction material involving CeO₂ quantum dots and polymeric carbon nitride (CeO₂/PCN) is designed and constructed by in situ wet chemistry with subsequent heat treatment. This S‐scheme heterojunction material shows high‐efficiency photocatalytic sterilization rate (88.1 %) towards Staphylococcus aureus (S. aureus) under visible‐light irradiation (λ≥420 nm), which is 2.7 and 8.2 times that of pure CeO₂ (32.2 %) and PCN (10.7 %), respectively. Strong evidence of S‐scheme charge transfer path is verified by theoretical calculations, in situ irradiated X‐ray photoelectron spectroscopy, and electron paramagnetic resonance.     

Identification of the Structure of Triethanolamine Oxygenation Products in Carbon Nitride Photocatalysis

Triethanolamine (TEOA) is one of the most commonly used sacrificial agents in photocatalysis. Due to its more complex structure compared to, for example, ethanol, and its sacrificial role in photocatalysis, it gives a mixture of products. The structures of these molecules are not usually analyzed. Herein, we obtain and isolate the products of TEOA and N-tert-butyl diethanolamine oxygenation under photocatalytic conditions with ≈15 % yield, and followingly characterized them by NMR and mass spectroscopy. The reaction is mediated by potassium poly(heptazine imide) (K-PHI) in the presence of O₂ and affords formyl esters of β-hydroxyethylene formamides from the corresponding ethanolamines.     

Graphitic Carbon Nitride/Nitrogen‐Rich Carbon Nanofibers: Highly Efficient Photocatalytic Hydrogen Evolution without Cocatalysts

An interconnected framework of mesoporous graphitic‐C₃N₄ nanofibers merged with in situ incorporated nitrogen‐rich carbon has been prepared. The unique composition and structure of the nanofibers as well as strong coupling between the components endow them with efficient light‐harvesting properties, improved charged separation, and a multidimensional electron transport path that enhance the performance of hydrogen production. The as‐obtained catalyst exhibits an extremely high hydrogen‐evolution rate of 16885 μmol h^?1 g^?1, and a remarkable apparent quantum efficiency of 14.3 % at 420 nm without any cocatalysts, which is much higher than most reported g‐C₃N₄‐based photocatalysts even in the presence of Pt‐based cocatalysts.     

结晶氮化碳的制备与改性策略

石墨相氮化碳(g-C_3N_4)是最具代表性的二维有机聚合物半导体材料,其具有可见光响应性能、稳定化学结构和优良的生物相容性等优点,在环境和能源领域有非常广阔的应用前景。但是,普通g-C_3N_4材料的热聚合不完全,其体相和表面的缺陷多,因此光生载流子易复合,光催化活性不高。近年来,高活性结晶氮化碳(CCN)的研究得到了国内外学者的广泛关注。本文总结了目前CCN制备及其改性方法:5种代表性制备方法,包括传统熔盐法、预热熔盐法、固态盐法、溶剂法和质子化法;4种代表性CCN的改性方法,包括缺陷引入、形貌控制、单原子修饰和材料复合。文章重点介绍了 CCN制备原理、结构特征与光催化性能。最后,对CCN的制备与改性方法进行了评价,并对其研究方向进行了展望。     

Graphitic Carbon Nitride Polymers toward Sustainable Photoredox Catalysis

As a promising two‐dimensional conjugated polymer, graphitic carbon nitride (g‐C₃N₄) has been utilized as a low‐cost, robust, metal‐free, and visible‐light‐active photocatalyst in the field of solar energy conversion. This Review mainly describes the latest advances in g‐C₃N₄ photocatalysts for water splitting. Their application in CO₂ conversion, organosynthesis, and environmental purification is also briefly discussed. The methods to modify the electronic structure, nanostructure, crystal structure, and heterostructure of g‐C₃N₄, together with correlations between its structure and performance are illustrated. Perspectives on the challenges and opportunities for the future exploration of g‐C₃N₄ photocatalysts are provided. This Review will promote the utilization of g‐C₃N₄ materials in the fields of photocatalysis, energy conversion, environmental remediation, and sensors.     

Nature‐Inspired Environmental “Phosphorylation” Boosts Photocatalytic H2 Production over Carbon Nitride Nanosheets under Visible‐Light Irradiation

Inspired by the crucial roles of phosphates in natural photosynthesis, we explored an environmental “phosphorylation” strategy for boosting photocatalytic H₂ production over g‐C₃N₄ nanosheets under visible light. As expected, a substantial improvement was observed in the rate of H₂ evolution to 947 μmol h^?1, and the apparent quantum yield was as high as 26.1 % at 420 nm. The synergy of enhanced proton reduction and improved hole oxidation is proposed to account for the markedly increased activity. Our findings may provide a promising and facile approach to highly efficient photocatalysis for solar‐energy conversion.     

Triazine‐Based Graphitic Carbon Nitride: a Two‐Dimensional Semiconductor

Graphitic carbon nitride has been predicted to be structurally analogous to carbon‐only graphite, yet with an inherent bandgap. We have grown, for the first time, macroscopically large crystalline thin films of triazine‐based, graphitic carbon nitride (TGCN) using an ionothermal, interfacial reaction starting with the abundant monomer dicyandiamide. The films consist of stacked, two‐dimensional (2D) crystals between a few and several hundreds of atomic layers in thickness. Scanning force and transmission electron microscopy show long‐range, in‐plane order, while optical spectroscopy, X‐ray photoelectron spectroscopy, and density functional theory calculations corroborate a direct bandgap between 1.6 and 2.0 eV. Thus TGCN is of interest for electronic devices, such as field‐effect transistors and light‐emitting diodes.     

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.