基于原位光辐照X射线光电子能谱(ISI-XPS)技术的光催化材料石墨相氮化碳(g-C_(3)N_(4))研究

原位光辐照X射线光电子能谱(ISI-XPS)技术用于非氧化物光催化材料g-C_(3)N_(4)分析时,由于光辐照对结合能位移影响很小而常被忽略其光照过程中的结构变化。采用自行搭建的原位光辐照XPS装置进行测试发现,相比于波长405 nm的辐照光源,波长375 nm的光源(辐照光源功率大于15 mW)辐照g-C_(3)N_(4)材料15 min,g-C_(3)N_(4)共轭结构中C和N的XPS信号相对强度均出现明显变化,这归因于光辐照诱导电子转移而导致其化学结构发生改变,为光催化机理研究提供了补充证据。同时经过实验验证,紫外光辐照后,g-C_(3)N_(4)材料表面由于能量注入引起温度升高,表面吸附的污染碳出现一定程度的减少。

探究光催化技术在水体污染物去除中的应用——以石墨相氮化碳(g-C3N4)为例

水体污染问题已引起全球范围内的广泛关注,而光催化技术在水体污染物处理方面展现出了愈发显著的应用潜力,本文以石墨相氮化碳(g-C3N4)为例,探究了其在光催化技术领域的研究进展,并选用亚甲基蓝这种典型的染料污染物作为去除对象,分析了光催化技术在水体污染物去除中的应用。

热剥离g-C_(3)N_(4)纳米片的合成及光催化性能研究

以三聚氰胺为前驱体,合成块状g-C_(3)N_(4)(CN),再经简单的热剥离技术,成功制备多孔g-C_(3)N_(4)纳米片(CN-S)光催化剂。系统研究了不同热剥离时间对CN-S光催化还原Cr(VI)性能的影响。结果表明:经4 h热剥离后获得的样品CN-S(4h)比表面积和孔体积分别为191.88m^(2)·g^(-1)和1.109cm^(3)·g^(-1),而CN的比表面积和孔体积分别是7.82m^(2)·g^(-1)和0.092cm^(3)·g^(-1),说明热剥离可显著提升材料比表面积和孔体积,增加表面有效活性位点,延长可见光在其内部的多重散射,缩短光生电子-空穴对从材料内部迁移至表面的传输距离。此外,热剥离处理形成的碳空位可增强光生载流子分离效率。由此CN-S(4h)光催化还原Cr(VI)的效率达到99.0%。

高温热缩聚制备石墨相g-C3N4的研究

采用高温热缩聚的方法在600℃制备出高比表面积的g-C3N4,利用XRD、SEM、TEM对材料的表面形貌、晶相进行分析研究,采用光电化学测试系统对材料的光电化学性能进行分析表征,结果表明在600℃高温下制备出的石墨相g-C3N4具有较高的比表面积,通过与低温下烧结的g-C3N4相比其表现出更高的光电性能。

氧磷共掺杂二维石墨相氮化碳的制备及光催化性能

以三聚氰胺、草酸铵和磷酸铵为原料,采用超分子自组装法和热聚合法制备氧磷共掺杂的二维石墨相氮化碳(g-C_(3)N_(4)),通过X射线衍射、傅里叶变换红外光谱、X射线光电子能谱、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、氮气吸附脱附测试、紫外-可见光漫反射光谱、荧光光谱和电化学阻抗谱等手段对催化剂进行表征,以染料罗丹明B(RhB)在可见光下的降解来评价样品的光催化性能。结果表明:氧磷共掺杂使g-C_(3)N_(4)形貌由一维柱状变为二维堆叠片状,禁带宽度变窄,电子-空穴的分离效率提高,光催化性能提升。·O_(2)^(-)、·OH和h^(+)三种活性基团协同作用使样品对罗丹明B的降解率达到92.11%,在重复使用五次后降解率仍在85%以上,具有良好的稳定性。所制备的氧磷共掺杂二维g-C_(3)N_(4)降解罗丹明B的速率常数为0.01660 min^(-1),是纯g-C_(3)N_(4)的12.39倍,是由三聚氰胺-草酸铵超分子前驱体制得的g-C_(3)N_(4)的4.54倍。

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。

纳米结构石墨相氮化碳用于CO_(2)催化转化的研究进展

系统性地梳理了石墨相氮化碳(g-C_(3)N_(4))在光/电催化二氧化碳还原反应(CO_(2)RR)的最新研究进展,深入探讨了通过精细调控其局域电子结构、表面化学配位、电荷传输机制及光学特性等关键参数所实现的催化性能提升。具体策略涵盖了结构优化设计、缺陷工程引入、元素/分子掺杂策略以及异质结构构建等前沿技术,这些创新方法为g-C_(3)N_(4)催化剂的定制化设计提供了丰富的工具箱。最后,对面临的挑战和前景进行了简要的总结和展望,以期为进一步合理设计g-C_(3)N_(4)作为选择性高效的CO_(2)RR催化剂。

基于Au-g-C_(3)N_(4)NS纳米复合材料的分子印迹电化学发光传感器检测叶酸

近年来,作为一种新型的二维半导体纳米材料,石墨相氮化碳纳米薄片(g-C_(3)N_(4)NS)因其优异的电化学发光(ECL)性能和良好的成膜特性在ECL传感领域备受关注。然而,g-C_(3)N_(4)NS在较高的工作电压下产生的ECL信号不稳定,而金纳米粒子(Au NPs)的引入可明显改善其发光稳定性.基于这个特点,采用原位生长法将Au NPs引入g-C_(3)N_(4)NS中,制备了一种金-石墨相氮化碳纳米复合材料(Au-g-C_(3)N_(4)NS),以其作为ECL物质固定在电极上.同时,引入具有专一识别能力的分子印迹聚合物(MIP),构建了一种检测叶酸(FA)的分子印迹-电化学发光(MIP-ECL)传感器.该传感器对FA表现出良好的选择性和灵敏响应,在优化的条件下,信号变化与FA物质的量浓度在1.0×10^(-10)~1.0×10^(-3) mol·L^(-1)的范围内呈良好的线性关系,检出限(LOD)达到0.07 nmol·L^(-1).并且探讨了检测机理,考察了传感器的稳定性和重现性,将传感器用于实际样品中FA的检测,获得满意结果.

碱金属及碱土金属掺杂石墨相-C3N4光催化材料研究进展

石墨相碳化氮(g-C3N4)作为一种成本低廉、化学性质稳定、带隙窄的光催化剂,一直是材料科学领域的研究重点。虽然g-C3N4存在光生载流子复合率高、可见光利用率低、比表面积较小等缺点,但由于其聚合物的本身特性适合制备g-C3N4基复合材料,从而可以通过引入其他化学元素或异质结对g-C3N4进行改进,提高其光催化活性。与非金属共价掺杂不同,碱金属、碱土金属改性g-C3N4具有金属掺杂的非局域化特性,其表面活性位点增多,载流子分离率降低并且能使能带位置发生改变,从而具有较好的光催化性能,因此成为一个新的研究热点。综合考虑经济性和实用性,目前用来改善g-C3N4性能的碱/碱土金属元素多为锂(Li)、钠(Na)、钾(K)、钡(Ba)、镁(Mg)、钙(Ca)。现有的大部分数据表明,Li、Ca两种元素对g-C3N4的改性效果较好,尤其是Ca元素。同时结合不同制备工艺,如选择不同的前体,采用介孔材料作为催化剂载体,改变制备过程中的加热方式(控制升温速率、煅烧温度和时长),可以使g-C3N4的光催化活性进一步提高。虽然碱金属、碱土金属改性g-C3N4的理论依据是金属离子的引入会对能带结构和载流子迁移率产生影响,但金属离子与周围原子的相互作用和对能带的调控机理还未明确,实现碱金属/碱土金属可控改性g-C3N4也尚待研究。对碱金属、碱土金属改性g-C3N4的系统研究仍需继续进行大量的实验作为分析验证的基础。本文对国内外碱金属、碱土金属掺杂改性g-C3N4技术的发展现状进行了总结,归纳了改性g-C3N4的制备方法及应用范围,将改性g-C3N4在实际应用领域(氮氧化合物降解、光解水析氢、有机污染物降解)的光催化活性进行对比,按照掺杂元素种类和数量将其分为单掺杂和复合掺杂,并对其增强机理进行归纳整理,提出了当前碱金属、碱土金属改性g-C3N4发展所面临的问题,并对未来将要进行的工作及发展趋势进行了展望。

固混法制备BiVO_4/石墨相氮化碳复合物及其光催化性能表征

通过固混法制备不同BiVO_4含量的BiVO_4/石墨相氮化碳(BiVO_4/g-C_3N_4)复合光催化材料。采用粉末X射线衍射仪、傅里叶变换红外光谱仪和扫描电子显微镜分别对BiVO_4/g-C_3N_4复合催化剂的晶相组成、官能团和微观形貌进行了表征;通过可见光照射下罗丹明B的降解来评价纳米复合材料的光催化活性。结果表明:在可见光照射3h后,30%(质量分数)BiVO_4/g-C_3N_4复合物的降解率最高,达到87%。BiVO_4/g-C_3N_4良好的光催化性能可以归因于在BiVO_4和g-C_3N_4的界面形成的异质结。

脉冲激光诱导液-固界面反应制备立方相C_3N_4纳米晶

β－Ｃ３Ｎ４是由Ｌｉｕ和Ｃｏｈｅｎ等［１～３］从第一性原理出发计算而预言的一种新型超硬材料，据Ｌｉｕ等提出的经验公式计算认为，β－Ｃ３Ｎ４的硬度为４２７ＧＰａ，具有接近金刚石的体模量（理论值为４３５ＧＰａ，实验值为４４３ＧＰａ）．Ｌｉｕ采用可变晶格模...

改性g-C_3N_4在光催化领域的研究进展

介绍了石墨相氮化碳(g-C_3N_4)的电子性质、能带结构以及光学性质,讨论了各种提高g-C_3N_4活性的重要方法、机理及其优缺点,主要有掺杂改性、表面形貌改性、半导体复合改性等手段,简述了目前g-C_3N_4存在比表面积小、载流体复合率高、电子传递速度低等问题,并对g-C_3N_4的未来发展趋势进行了展望。

载银g-C_3N_4(Ⅰ)/g-C_3N_4(Ⅱ)同素异质结催化剂的制备及光催化固氮产氨性能

Ag作为助催化剂能够促进光电子的迁移,在光催化分解水制氢气、CO_2还原、重金属离子还原等反应中应用颇多,然而,到目前为止未见将Ag单质作为助催化剂用于光催化固氮产氨反应的报道。本工作制备了负载单质Ag的g-C_3N_4(Ⅰ)/g-C_3N_4(Ⅱ)同素异质结催化剂,并考察了其光催化固氮产氨的性能。采用X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)、紫外可见光谱(UV-Vis)、X射线光电子能谱(XPS)、拉曼光谱(Raman)、荧光光谱(PL)、电化学阻抗谱(EIS)、光电流分析等手段对制备的催化剂进行了表征。结果表明,Ag以单质态存在于催化剂表面。所担载的Ag的等离子体效应一方面促进了催化剂对可见光的吸收,使反应体系能产生更多的光生电子-空穴对;另一方面使得光生电子能够在g-C_3N_4与Ag单质间迁移,提高了催化剂的电子-空穴分离效率。负载Ag后g-C_3N_4(Ⅰ)/g-C_3N_4(Ⅱ)同素异质结催化剂的铵离子产生速率为1.36mg·L^(-1)·h^(-1)·g_(cat)^(-1),相比未负载Ag时(0.59mg·L^(-1)·h^(-1)·g_(cat)^(-1))大幅提高,与Pt负载催化剂相当,并且是由单纯三聚氰胺和尿素制备的g-C_3N_4的4.9倍和3.4倍。除固氮反应外,制备的载银g-C_3N_4(Ⅰ)/g-C_3N_4(Ⅱ)同素异质结催化剂在光催化还原氧气制取双氧水的反应中也表现出优良的催化性能。

可见光响应TiO_(2)改性g-C_(3)N_(4)异质结光催化材料的制备与性能

采用热聚合法结合溶胶法制备了TiO_(2)改性g-C_(3)N_(4)异质结光催化材料。采用透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射仪(XRD)、紫外-可见漫反射光谱仪以及光致发光(PL)光谱仪等对其结构和性能进行了表征,研究了其对有机染料亚甲基蓝(MB)溶液的光催化降解活性。结果表明,TiO_(2)颗粒分布在g-C_(3)N_(4)的片层表面与其形成稳固的异质结结构,g-C_(3)N_(4)和TiO_(2)之间具有强烈的协同作用,提高了光催化材料在可见光区域的响应强度,并且有效地阻止了光催化材料中光生电子和空穴的复合,大大提高了催化剂的光催化反应效率。在可见光照射下,3.0 g g-C_(3)N_(4)制备的异质结复合材料对MB的降解率可达90.3%,与纯g-C_(3)N_(4)相比光催化性能有显著提高。循环测试表明该异质结光催化材料具有很好的光催化稳定性。

g-C_(3)N_(4)/CB/Au NPs修饰玻碳电极的制备及其对硫酸联氨的电化学测定

将炭黑(CB)纳米粒子与类石墨相氮化碳(g-C_(3)N_(4))混合,然后将金纳米粒子(Au NPs)掺杂其中,形成一种新型g-C_(3)N_(4)/CB/AuNPs复合纳米材料,用于修饰玻碳电极.通过扫描电子显微镜(SEM)对复合材料的形貌进行了表征.实验结果表明:g-C_(3)N_(4)/CB/AuNPs对硫酸联氨(N2H4·H_(2)SO_(4))的电化学氧化呈现极好的电催化性能.硫酸联氨的氧化电流与其物质的量浓度在2.5×10^(-5)~1.5×10^(-3)mol·L^(-1)线性范围内呈良好的线性关系,检测限为1.6μmol·L^(-1)(信噪比S/N=3).

Ni-P@g-C_(3)N_(4)复合材料的合成与可见光催化性能

以三聚氰胺为前驱体,采用两步热聚合法,制备了一系列石墨相氮化碳(g-C_(3)N_(4))基光催化复合材料。通过X-射线衍射光谱(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、N_(2)吸附、光致荧光光谱(PL)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)和电化学阻抗谱(EIS)等表征了其结构与光电特性。结果发现,Ni-P共掺杂可以有效改善g-C_(3)N_(4)的可见光吸收性能,减小其电化学阻抗,抑制光生载流子的复合。以可见光条件下降解亚甲基蓝(MB)溶液为探针反应研究了Ni-P@g-C_(3)N_(4)复合材料的光催化降解性能。结果表明,照射120分钟1.5%Ni/P-CN复合材料对MB的降解率为61.7%,速率常数为0.00785 min^(-1),是纯g-C_(3)N_(4)的两倍。反应体系的主要活性物种为超氧自由基(·O_(2)^(-))。经过简单处理催化剂可重复使用3次以上且活性保持稳定。

石墨相氮化碳的改性及其在色素废水领域的应用

石墨相氮化碳(g-C_(3)N_(4))作为一种对可见光敏感的非金属光催化剂,具有独特的能带结构和较高的导带位置,且化学稳定性高,原料廉价易得,近年来成为国内外研究的热点。但是纯的g-C_(3)N_(4)存在光吸收不足、比表面积小、光生电子与空穴对复合快等缺点,导致其光催化活性较低,所以研究人员通过研究对g-C_(3)N_(4)改性的方法来提高g-C_(3)N_(4)的光催化性能。本文介绍了g-C_(3)N_(4)的光催化机理;着重介绍了g-C_(3)N_(4)的改性方法,包括:金属掺杂、非金属掺杂、共掺杂和基于g-C_(3)N_(4)的异质结等;并详细介绍了改性氮化碳在人工合成色素废水降解领域的应用。由此可见,改性后的g-C_(3)N_(4)可以大大提高其光催化性能,提升催化剂对废水的降解效果,使得光催化技术得到更广泛的应用,所以设计合成高催化性能的催化剂十分必要。

真空加热和电子束辐照改性处理g-C_3N_4光催化剂

将真空加热与电子束辐照两种改性后处理过程引入非金属光催化剂类石墨相氮化碳(graphitic carbon nitride,g-C_3N_4)的性能改善中.这两种后处理方法都能有效地改善g-C_3N_4的光催化特性,不过电子束辐照方法更具有破坏性,会在一定程度上改变g-C_3N_4光催化剂本身的化学键和能带结构.根据后处理的实施参数,真空热处理(6.7±0.7 Pa,4 d,200?C)可以将原始的g-C_3N_4可见光光催化性能提高2.5倍,而电子束辐照(800 kGy,1.8 MeV,8 mA·s^(-1))可以提高至4.5倍.光催化循环实验显示了改性后光催化剂的循环稳定性,也保证了这两种后处理方式的进一步实施.

类石墨相氮化碳的制备及光催化还原CO2性能

分别以尿素、三聚氰胺为前驱体,采用缩聚法制备了不同形貌及性能的类石墨相氮化碳(g-C3N4)光催化剂,采用XRD、SEM、TEM、UV-Vis、FTIR、BET和荧光光谱对g-C_3N_4进行表征,考察了不同前驱体对催化剂形貌及在甲醇溶液中光催化还原CO_2效率的影响。结果表明:以尿素为前驱体制备的u-g-C_3N_4呈片状结构,光催化还原CO_2制备甲酸甲酯的效率较高,为512.8μmol/(gcat·h);以三聚氰胺为前驱体制备的m-g-C_3N_4呈块状结构,光催化效率为257.3μmol/(gcat·h)。

石墨相氮化碳光催化灭活水中多重耐药菌研究

研究了光辐照和基于石墨相氮化碳(g-C_3N_4)光催化对二级出水中1株四环素和氨苄西林抗性多重耐药菌E.coli CGMCC 1.1595的灭活效果.结果表明,汞灯辐照功率(100/300/500W)和辐照强度越高,其灭活效率相对越高,在500W汞灯60min辐照条件下,紫外长波(UVA)-可见光(300~579nm)对该多重耐药菌的灭活率为0.41log;基于g-C_3N_4的光催化对其灭活率为1.31log.相比未加g-C_3N_4催化剂的光辐照灭菌,在UVA-可见光条件下g-C_3N_4对其灭活率的贡献为61%~69%;在可见光条件下g-C_3N_4对其灭活率的贡献达到60%~79%.在UVA-可见光g-C_3N_4光催化灭活E.coli CGMCC 1.1595反应体系中,活性氧自由基和电子空穴的活跃程度为:·OH>·O_2^->H_2O_2>h^+>~1O_2,·OH为该光催化体系的主要活性物质,其次是·O_2^-和H_2O_2.