石墨相氮化碳基光催化剂研究进展

石墨相氮化碳是一种新型的非金属碳氮聚合物,具有优异的光催化性能。本文总结了近年来氮化碳光催化剂的设计与合成,对如何提高其光催化性能的相关工作进行了归纳总结,包括掺杂非金属元素和贵价金属、构建异质结、染料敏化、形貌调控等,并对石墨相氮化碳基光催化剂的后续应用和未来发展进行了展望。

石墨相氮化碳复合材料催化分解水产氢研究进展

石墨相氮化碳(g-C_(3)N_(4))具有特殊的能带结构和稳定的物理化学性能,可通过光照分解水产氢,但由于光生电子-空穴复合严重以及禁带宽度限制等问题,对于光的利用非常有限。将g-C_(3)N_(4)与其他光催化材料复合,可以降低电子-空穴的复合率并且拓宽吸收范围,从而提高光催化活性。介绍了g-C_(3)N_(4)复合材料的光催化产氢机理,综述了g-C_(3)N_(4)复合材料的制备方法及产氢性能,展望了未来g-C_(3)N_(4)复合材料的发展方向。

石墨相氮化碳在聚合物电解质膜中的研究进展

燃料电池因具有能源转换效率高、近零污染、低噪音等优点受到广泛关注。聚合物电解质膜作为燃料电池的重要组成部件之一,其性能优劣决定了电池的实际表现。为解决聚合物电解质膜在稳定性及离子传导率方面存在的不足,无机纳米材料掺杂作为常规的改性手段应用到聚合物电解质膜材料中。近年来,石墨相氮化碳(g-C_(3)N_4)因其独特的结构特征和优秀的物化性能,被广泛应用于聚合物电解质膜材料的制备和改性。本文主要综述了g-C_(3)N_4的结构和性质,总结了g-C_(3)N_4基复合膜的制备方法,重点对目前g-C_(3)N_4在聚合物电解质膜中的研究和应用情况进行了综述,展示了其在聚合物电解质膜改性方面的重要成果,并对其在该领域未来的发展做出展望。

B和P共掺杂石墨相氮化碳的制备及其光催化性能研究

以尿素和二氰胺为前驱体,B_(2)O_(3)为B源,(NH_(4))_(2)HPO_(4)为P源,采用热缩聚法合成了B和P共掺杂石墨相氮化碳(g-C_(3)N_(4)),考察了硼磷掺杂对g-C_(3)N_(4)结构和光催化性能的影响。利用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、BET比表面积、X射线光电子能谱(XPS)、紫外-可见光(UV-Vis)等手段对样品进行了表征和分析,考察了其可见光下光催化降解亚甲基蓝染料的性能。结果表明:当B_(2)O_(3)掺入量为0.15g,(NH_(4))_(2)HPO_(4)掺入量为1%时,CNBP1%的光催化性能最优。这主要归因于B、P元素的电负性差异有助于强化氮化碳中内建电场强度进而促进光生电子和空穴的有效分离。相比纯CN,CNBP1%表现出松散的片状多孔结构,更窄的禁带宽度和更强的可见光吸收能力。

铁/硫共掺杂的石墨相氮化碳及其光催化性能

文章以三聚氰胺、三聚硫氰酸和硝酸铁为原料,通过热聚合法制得铁/硫共掺杂的石墨相氮化碳(Fe/S-CN)催化剂。利用TEM、XRD、FT-IR、EIS等手段对聚合过程中间体和所得Fe/S-CN催化剂进行表征,结果表明三聚氰胺和三聚硫氰酸在热聚合过程中形成铁/硫掺杂的纳米薄层材料。以水中双酚A为目标污染物,考察Fe/S-CN的光催化性能,结果表明在模拟太阳光条件下,2%Fe/S-CN具有最好的污染物降解活性,光照3 h后20 mg/L双酚A的降解率可达92.8%,明显优于硫掺杂石墨相氮化碳和体相石墨相氮化碳。光电流和电化学阻抗的结果表明,铁/硫的掺杂提高了光生电子-空穴对的分离效率;EIS结果说明了金属修饰和非金属掺杂改善了载流子的传输性能,有利于载流子分离。自由基猝灭实验证实,光生空穴、单线态氧和超氧自由基是Fe/S-CN光催化双酚A氧化还原反应的主要活性物种。

壳聚糖改性石墨相氮化碳/环氧树脂复合涂层的制备及防腐性能研究

目的为了保证水性环氧树脂(EP)涂层的绿色、环保及高效防腐性能。通过将二维纳米材料石墨相氮化碳(g-C_(3)N_(4))与天然高分子壳聚糖(CS)功能化复合来制备一种新型绿色环氧树脂复合涂层体系,并研究不同g-C_(3)N_(4)@CS添加量对环氧树脂复合涂层耐蚀性的影响。方法将尿素高温煅烧得到g-C_(3)N_(4),加入壳聚糖悬浮液中进行改性处理,并掺杂进环氧树脂中进而得到新型环氧树脂复合体系(EP/g-C_(3)N_(4)@CS)。利用傅里叶红外变换光谱仪(FT-IR)、X射线衍射仪(XRD)及透射电子显微镜(TEM)对g-C_(3)N_(4)和g-C_(3)N_(4)@CS复合材料的结构及微观形貌进行表征。并通过电化学手段及长周期浸泡实验对涂层体系的防腐性能进行测试。结合涂层附着力测试判断涂层与基体之间的黏合程度。结果g-C_(3)N_(4)@CS可以被成功复合到环氧树脂涂层中,且CS中丰富的含氧官能团显著提高了g-C_(3)N_(4)在环氧树脂中的分散性和界面相容性。涂层电化学耐蚀性测试结果表明,EP/g-C_(3)N_(4)@CS-1.0%(质量分数)涂层体系在浸泡30 d后的涂层电阻(R_(c))值最大,在浸泡30 d后仍能达到1.11×10^(7)Ω,EP/g-C_(3)N_(4)@CS-1.0%(质量分数)涂层体系耐蚀性最高。此外,g-C_(3)N_(4)@CS可显著提升EP涂层的附着力,且EP/g-C_(3)N_(4)@CS-1.0%(质量分数)涂层附着力最大。长期浸泡实验测试结果也表明,EP/g-C_(3)N_(4)@CS-1.0%(质量分数)涂层体系具有最佳的耐蚀性,在浸泡30 d后表面膜层仍较为均匀平整。结论EP/g-C_(3)N_(4)@CS-1.0%(质量分数)涂层体系形成的均匀完整复合膜可以有效屏蔽腐蚀性离子的迁移进程,具有最佳耐蚀性能。

光催化材料石墨相氮化碳的合成、改性及应用

石墨相氮化碳(g-C_(3)N_(4))作为一种对环境温和的半导体材料,在光催化领域具有良好的应用前景。但是,纯g-C_(3)N_(4)因比表面积小、光生载流子分离难等缺点影响了其光催化性能,限制了其大规模应用,因此对g-C_(3)N_(4)进行改性使其光催化性能得到提升具有重要意义。从合成方法和改性策略出发,综述了近年来g-C_(3)N_(4)光催化剂的研究进展,并总结了g-C_(3)N_(4)光催化剂在废水处理降解污染物、产H_(2)及产H_(2)O_(2)等领域的应用发展。结果表明,改性后的g-C_(3)N_(4)光催化剂性能得到了巨大的提升。最后,对g-C_(3)N_(4)的发展方向进行了展望。

锰(Mn)钴(Co)双金属负载石墨相氮化碳活化过硫酸盐用于非自由基主导的高级氧化(AOP)降解污染物研究

采用两步煅烧法成功制备了钴锰双金属氧化物负载的石墨相氮化碳(CMCN)。锰氧化物主要以Mn3O4和MnCO3形式存在,钴氧化物以CoO形式存在。由于g-C_(3)N_(4)的存在,金属Mn和Co都分布均匀没有出现团聚现象。XPS表征结果表明,Co和Mn都具有2个价态存在于CMCN中,并且保持了g-C_(3)N_(4)的结构单元。通过对罗丹明B降解评估催化剂CMCN的催化降解性能。结果表明,在Mn和Co的协同作用下,罗丹明B降解率在1 min可达到99%以上。电子顺磁共振和淬灭试验表明,非自由基氧化(1O2)在罗丹明B降解过程中占主导地位。

石墨相氮化碳二维纳米片载洋川芎内酯Ⅰ应用于缺血性脑卒中大鼠的治疗研究

目的:探讨石墨相氮化碳(g-C_(3)N_(4))二维纳米片负载洋川芎内酯I(SEI)对缺血性脑卒中大鼠的治疗作用。方法:利用三聚氰胺通过热相反应生成层状g-C_(3)N_(4),热剥酸剥后得到薄层g-C_(3)N_(4)纳米片并进行表征;将SEI负载到g-C_(3)N_(4)纳米片上,通过紫外可见吸收光谱测定上清中的SEI,计算g-C_(3)N_(4)负载SEI质量比,测定SEI-g-C_(3)N_(4)复合纳米片在1 h、3 h、6 h、12 h、24 h和48 h的药物释放情况;SD大鼠大脑中动脉闭塞(MCAO)造模前48 h通过脑立体定位注射SEI-g-C_(3)N_(4)复合纳米片,造模后24 h进行神经行为学评分,评分结束后取材分别进行TTC染色、TUNEL染色和HE染色。结果:通过表征实验,制备的g-C_(3)N_(4)纳米片尺寸小(约100 nm)、比表面积大、分散性好、表面带正电荷(33.3 mV);紫外可见吸收光谱测定结果显示,g-C_(3)N_(4)已成功负载SEI,且SEI/g-C_(3)N_(4)质量比为15.06;药物释放结果显示,24 h时SEI的释放率接近50%;与sham组相比,MCAO组神经功能缺失评分显著升高(P<0.0001),表明造模成功;与MCAO组相比,MCAO+SEI组神经功能缺失评分减少(P>0.05),MCAO+SEI-g-C_(3)N_(4)组神经功能缺失评分减少(P<0.001);与MCAO+SEI组相比,MCAO+SEI-g-C_(3)N_(4)组神经功能缺失评分减少(P<0.01);TTC染色结果表明,与sham组相比,MCAO组的脑梗死面积显著增加(P<0.0001);与MCAO组相比,MCAO+SEI组梗死面积减少(P<0.0001),MCAO+SEI-g-C_(3)N_(4)组脑梗死面积显著减少(P<0.0001);与MCAO+SEI组相比,MCAO+SEI-g-C_(3)N_(4)组脑梗死面积减少(P<0.001);TUNEL染色结果表明,与sham组相比,MCAO组的凋亡率升高(P<0.0001),表明造模成功;与sham组相比,MCAO+SEI-g-C_(3)N_(4)组凋亡率升高(P>0.05);与MCAO组相比,MCAO+SEI-g-C_(3)N_(4)组凋亡率减少(P<0.001);体内生物安全性实验结果表明,与sham组相比,SEI组、SEI-g-C_(3)N_(4)组大鼠体重无统计学差异,且皮层脑组织结构和细胞形态无明显病理性变化。结论:成功制备了生物安全性较好的SEI-g-C_(3)N_(4)复合纳米片,且其能够减少MCAO大鼠的脑梗死面积,抑制细胞凋亡,减轻脑组织病理性变化,并且能改善大鼠的神经行为功能,表明SEI-g-C_(3)N_(4)复合纳米片可用于治疗缺血性脑卒中大鼠。

石墨相氮化碳基核壳异质结光催化材料的构筑及性能

光催化技术是解决能源危机和环境污染的有效途径,石墨相氮化碳(g-C_(3)N_(4))被认为是一种有前途的光催化材料,但高载流子复合率严重限制了其光催化活性,通过构建核壳结构形成紧密且大面积接触的异质结,可有效促进光生载流子的分离效率。基于此,研究核壳结构的g-C_(3)N_(4)基异质结成为热点,通过介绍核壳结构的主要功能及核壳结构材料的应用,阐述g-C_(3)N_(4)基核壳异质结光催化剂的性能和优势,重点讨论g-C_(3)N_(4)基核壳异质结的构筑策略,包括水/溶剂热法、超声辅助自组装法、热处理法,并归纳总结合成过程中g-C_(3)N_(4)的生长机制,分析g-C_(3)N_(4)基核壳异质结光催化材料面临的挑战及未来发展方向,旨在为新型高效g-C_(3)N_(4)基核壳异质结光催化材料的设计与开发提供有益参考。

石墨相氮化碳在玉米赤霉烯酮降解中的应用

采用传统的热裂解法合成了光催化材料——石墨相氮化碳(g-C3N4),研究了其对玉米赤霉烯酮(ZEN)的降解效率。通过X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外(FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电镜(TEM)对g-C3N4结构进行了解析。光催化降解实验表明,在紫外光(254 nm,包括185 nm)下,g-C3N4可诱导光催化效应,释放活性氧自由基,降解ZEN。对ZEN光催化降解的实验条件进行了探索。结果表明,当光催化材料的质量为20mg,紫外灯的波长为254nm(功率为50W),初始浓度为0.5μg/mL,照射时间为60 min时,ZEN的降解率为96.0%。同时,对ZEN粉末样品的光催化降解实验条件进行了优化。结果表明,当光催化材料的质量为800mg、紫外灯的波长为254 nm(功率为50 W)、照射时间为50 min时,ZEN的降解率为80.0%。该结果为光催化降解ZEN提供了理论参考和实践依据。

金属铁掺杂的石墨相氮化碳光催化剂制备及降解有机废水性能研究

石墨相氮化碳(g-C_(3)N_(4))是一种性能优良的光催化剂,可以用于处理有机废水等方面,但石墨相氮化碳存在可见光利用率低、降解能力弱、难以回收等固有缺陷。本研究主要通过一锅合成法,以九水合硝酸铁为铁源,以三聚氰胺为前驱体一同在高温下焙烧,合成了具有金属铁掺杂的石墨相氮化碳(Fe-g-C_(3)N_(4))光催化剂,通过二价铁和过氧化氢构建光芬顿催化体系,以亚甲基蓝溶液模拟有机废水进行降解处理。研究表明:当石墨相氮化碳(Fe-g-C_(3)N_(4))光催化剂的铁元素含量为2.7wt%,催化剂投量为1.4g·L^(-1)、亚甲基蓝溶液的pH值为5、铁与过氧化氢的摩尔比为1:1000时,催化剂对于亚甲基蓝的降解效果最好。通过金属铁的掺杂改性,极大地提高石墨相氮化碳的催化降解效果。

Ce/石墨相氮化碳/量子点氮化碳硼的制备及其光催化降解四环素的性能研究

采用高温煅烧、原位沉淀法设计并制备了光催化复合材料Ce/石墨相氮化碳/量子点氮化碳硼(CeCNB),对材料形貌结构进行了表征,并用于光催化降解四环素(TC),同时考察量子点氮化碳硼(CBNQDs)加入量、pH和共存离子的影响。结果表明:当CBNQDs溶液体积为2 mL、pH为7.0时,CeCNB光催化降解TC的去除率达到93%。5次循环实验表明CeCNB稳定性优异。通过机理分析和密度泛函理论(DFT)计算,CeCNB的优异光催化性能主要归因于Ce的f轨道电子增强光吸收、易于形成Ce^(4+)/Ce^(3+)氧化还原组、CBNQDs中存在负电荷官能团。

氧化锌/石墨相氮化碳复合材料的制备及其光催化研究进展

光催化是一种环境友好型技术,能够有效解决环境污染和能源短缺问题,具有广阔的应用前景。其基本原理是半导体催化剂在光照条件下产生具有强氧化还原能力的活性物种,这些活性物种可用来净化污染物、制备氢气、碳还原等。氧化锌/石墨相氮化碳(ZnO/g-C_(3)N_(4))复合材料具有新颖的结构,以及优良的导电、防光腐蚀等性能,一直是光催化领域的关注热点。ZnO/g-C_(3)N_(4)能有效提高光生载流子的分离效率和可见光利用率,从而提高其光催化性能。主要介绍了ZnO/g-C_(3)N_(4)复合材料的发展现状、制备方法,以及该复合材料在光催化降解污染物、抗菌、析氢、CO_(2)还原等领域的应用,并对未来研究方向进行了展望。

可见光协同氧掺杂石墨相氮化碳活化亚硫酸盐降解水中双酚A

内分泌干扰物是一种干扰动物内分泌系统、影响动物生殖发育的环境激素。典型内分泌干扰物双酚A(BPA)被界定为新兴污染物,会对环境和人体健康产生不利影响。采用简单热合成法制备了无金属的氧掺杂石墨相氮化碳(O-C_(3)N_(4))材料,使用高分辨透射电镜(HRTEM)对该催化剂的微观形貌进行了表征,研究了O-C_(3)N_(4)协同可见光活化亚硫酸盐石墨相氮化碳[即O-C_(3)N_(4)/S(Ⅳ)/Vis]体系降解BPA的动力学特征、环境因素影响和体系中活性氧物种(ROS)对BPA降解的贡献;考察了无机阴离子(Cl^(-)、HCO^(-)_(3)、SO_(4)^(2-)、NO^(-)_(3))和天然有机物对BPA降解效果的影响。结果表明:掺杂O原子后的石墨相氮化碳材料更加蓬松、多孔,可以为反应提供更多的活性位点;O-C_(3)N_(4)投加量为0.2 g/L、S(Ⅳ)投加量为0.3 mmol/L时光催化反应90 min对0.05 mmol/L BPA的去除率可达83.9%,是g-C_(3)N_(4)/S(Ⅳ)/Vis体系的4.23倍,是O-C_(3)N_(4)/S(Ⅳ)体系的4.82倍;在一定范围内,BPA的去除效果随着O-C_(3)N_(4)和S(Ⅳ)投加量的增加而提升;体系在初始pH值为3.0~9.0范围内均能去除BPA,偏中性条件下其降解效果最佳;反应体系中的过硫酸根自由基(SO_(4)^(2-))和单线态氧(^(1)O_(2))对BPA的降解起主要作用。

纳米纤维对石墨相氮化碳膜表面电荷的调控以及增强渗透发电研究

日益严重的能源问题促使人们寻找新的能源,渗透能作为一种清洁和可持续的能源备受关注。利用反向电渗析技术进行渗透发电具有明显优势,但传统的离子交换膜存在离子选择性不足的问题,导致输出功率较低。石墨相氮化碳(g-C_(3)N_(4))固有的横向孔隙率和丰富的表面基团,被认为是渗透能转换的理想材料。通过真空抽滤制备了基于g-C_(3)N_(4)的二维纳米流体膜,纳米纤维则作为“空间电荷”和“联锁剂”。通过调控膜中芳纶纳米纤维(ANFs)和羧基化纤维素纳米纤维(CNFs)的含量可以有效调节膜表面电荷密度,提升阳离子选择性,从而提高输出功率。实验结果表明,输出功率随着ANFs含量的增加而增加,且膜厚度为11.9μm时表现出更优异的渗透能转换性能,其理论最大输出功率达到0.08μW。此外,该纳米流体膜在8个循环内仍表现出优异的离子传输稳定性,有利于长期使用。

石墨相氮化碳降解水中氨氮

利用石墨相氮化碳降解水中氨氮,并对该材料降解氨氮的效果进行考察。探究了在氙灯照射下,不同初始pH以及不同初始氨氮含量条件下对氨氮降解的影响。结果表明:在氙灯照射下,当初始pH=12,初始氨氮含量为7.5μg时,石墨相氮化碳对氨氮具有良好的降解效果;当初始pH=13时,控制初始氨氮含量为7.5μg,光催化2 h后,氨氮去除率为95.68%。采用伪一级动力学模型进行研究,石墨相氮化碳在碱性条件下对氨氮有良好的降解速率,可能归因于随着初始pH的增大,溶液中存在更多的OH-和·OH,从而增强光催化效果。

石墨相氮化碳负载钴的制备及其可见光催化性能

使用金属负载的方式对石墨相氮化碳进行改性,得到石墨相氮化碳负载钴光催化剂(Co/g-C_(3)N_(4))。采用电子显微镜、X射线衍射仪、X射线光电子能谱仪、紫外可见漫反射光谱、光致发光光谱以及光电化学测试对制备的催化剂进行了表征。通过光催化评价系统探究了Co/g-C_(3)N_(4)光催化降解盐酸四环素(TC)的效果,以及不同催化剂投入量、污染物浓度等因素对Co/g-C_(3)N_(4)光催化降解TC的影响及机理。结果表明,钴金属的负载使得石墨相氮化碳电子-空穴对的分离效率进一步提高,催化剂的光催化活性得到改善,且钴负载后的石墨相氮化碳的晶体结构与表面形貌并未发生改变;1%Co/g-C_(3)N_(4)在120 min内可见光下对TC去除率可达95.68%,TC去除速率是纯g-C_(3)N_(4)催化下的2.3倍,5次催化循环后对TC的光催化降解效率仍保持在80%以上,有着良好的稳定性和可回收性;光催化反应中空穴和羟基自由基为主要活性物质。

石墨相氮化碳的单金属掺杂改性研究进展

聚合物半导体石墨相氮化碳(g-C_(3)N_(4))作为一种可见光敏感无金属光催化剂,具有合适的带隙能量和导带、价带位置,广泛应用于光解水、污染物降解等领域,但光催化活性仍受一定限制。带隙调控是改性的主要策略之一,其中,金属掺杂可大幅降低带隙能量,改善导带和价带位置,获得更好的电荷分离/转移效率,提高g-C_(3)N_(4)对可见光的吸收能力,增强光催化活性。综述了近年来g-C_(3)N_(4)单一金属掺杂改性的研究,主要包括贵金属、碱金属和过渡金属掺杂等,提出了单一金属掺杂存在的问题,并对未来发展方向进行了展望。

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-C_(3)N_(4))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-C_(3)N_(4)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-C_(3)N_(4)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-C_(3)N_(4)光催化苯甲醇氧化提升性能的研究策略.重点总结了g-C_(3)N_(4)的结构和光生载流子分离效率对催化性能的影响,并对g-C_(3)N_(4)光催化苯甲醛氧化耦合制氢的后续发展进行了展望.