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类石墨相g-C3N4材料的制备及优化改性

时间:2020-09-21 13:50:18       浏览:147

类石墨相g-C3N4材料的制备及优化改性

西安瑞禧生物科技有限公司提供各种石墨烯、钙钛矿、量子点、纳米颗粒、空穴传输材料、纳米晶、半导体聚合物、超分子材料、过渡金属配合物、化学试剂、化学原料药等一系列产品

 

g-C3N4的结构与制备

C3N4共有5种结构,它们分别是α相、β相、立方相、准立方相和类石墨相。其中类石墨相(g-C3N4)的结构是最稳定的,它具有类似石墨的层状结构且包含了两种同素异形体。这两种同素异形体由于含氮孔的位置不同,导致了稳定性也有所不同,通过密度泛函理论(DFT)计算发现b中3-s-三嗪为结构单元连接而成的g-C3N4稳定性最好,因此,近年来研究中使用的g-C3N4都是b中这种结构。

 

 

 

 

在自然界中, 至今还发现存在天然的g-C3N4晶体。因此g-C3N4主要来自于实验合成。选取合适的碳源和氮源,在一定的反应条件下可以得到g-C3N4。目前常用的制备方法主要有:高温高压合成法,物理、化学气相沉积法,电化学沉积法,溶剂热聚合法,热解有机物法等待。其中热聚合法可以方便地通过加入其他物质或改变反应条件来调节g-C3N4的结构, 从而提高g-C3N4的光催化性能,是目前g-C3N4研究中最常用的合成方法。

 

 

g-C3N4材料的优化改性:

g-C3N4材料的应用过程中,面临电子-空穴复合太快、量子效率低、比表面积不够大等问题因此很大程度限制了它的实际应用效果。因此,通过多种g-C3N4材料的改进方法,前驱体、制备工艺、制备方法的优化,纳米化改性,化学掺杂改性,物理复合改性等等。

其中选用不同前驱体与合成参数所得的g-C3N4材料的比表面积与带隙能量的数值,能有效地控制得到g-C3N4材料不同能带结构,电子性能以及表面区域,因此利用此方法来提高光催化性能是可行的。

 

 

 

 

其中使g-C3N4纳米化的主要方法有模板法或非模板法。模板法又包括了硬模板法和软模板法,这里硬模板法为例。为利用20-80 nm的SiO2作为硬模板,合成了介孔g-C3N4。介孔结构使g-C3N4的比表面积增加, 电子的捕捉位点增多,减缓了电子空穴对的复合, 使其能克服带隙略微增加带来的不利影响而提高光催化性能。

 

 

 

化学掺杂改性能很好地改变g-C3N4电子结构, 从而改善光催化性能,g-C3N4的掺杂主要包括金属掺杂和非金属掺杂。金属元素掺杂主要包括Fe、Ni、Cu、Zn等,一般认为将少量金属离子掺杂到g-C3N4结构单元中,可使其成为光生电子-空穴对的浅势捕获陷阱,延长电子与空穴的复合时间,从而提高了g-C3N4光催化性能。非金属掺杂主要包括O、N、P、S、B、F等,一般认为3-s-三嗪结构单元中的C、N、H元素被这些非金属元素取代,从而形成了g-C3N4的晶格缺陷,从而达到光生电子-空穴对高效分离的效果,最终导致光催化性能的提高。

 

 

 

物理复合改性是目前最方便的改进方法。选用的复合物主要有金属材料(如普通金属、贵金属化和双金属材料),半导体材料(如金属氧化物、金属氢氧化物、金属硫化物、金属复合物、合成化合物、金属有机框架以及其他),类石墨烯材料(如石墨烯、 氧化石墨烯、碳纳米管等),高分子化合物(如P3HT、PANI等)。复合后g-C3N4的光催化性能都有一定提高g-C3N4与复合物质之间并非简单的物理混合,而是充分接触形成异质结。由于二者导带和价带位置的差异,g-C3N4光激发产生的电子或空穴转移至复合物的导带或价带中,电子空穴分离,复合率降低,从而可以更高效地利用光激发产生的活性粒子。复合物的加入还可赋予催化剂一些独特的优点,例如g-C3N4与Fe3O4、Bi25FeO40复合后具有磁性,方便了光催化剂的回收利用。 

 

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