类石墨相g-C3N4材料的制备及优化改性

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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)计算发现图b中3-s-三嗪为结构单元连接而成的g-C3N4稳定性**，因此，近年来研究中使用的g-C3N4都是图b中这种结构。

在自然界中, 至今还未发现存在天然的g-C3N4晶体。因此g-C3N4现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：

在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，如前驱体、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，且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。