g-C3N4,的發(fā)展歷史、基本性質和制備方法

  石墨相氨化碳(g-C3N4)是近年來快速發(fā)展的一種新型光催化劑，被廣泛應用于光催化降解污染物、光催化分解水產氧、光催化還原CO2、光催化有機合成和光催化殺菌等領域。2009年，Wang報道g-C3N4,在可見光及犧牲劑存在條件下能夠光催化分解水，分別制備氫氣和氧氣，自此，g-C3N4基光催化材料迅速成為光催化領域的一種常用半導體材料。g-C3N4的歷史可以追溯到19世紀30年代由Berzelius 和Liebig 發(fā)現(xiàn)的一種均三嗪類線性聚合物,名為 melon,實為氮化碳高分子衍生物。1922年,Franklin]以 Hg(CN)?和 Hg(SCN) ?,等為前驅體，通過熱解過程制備出一種無定形的氮化碳。1989年，Liu和Cohen通過理論計算發(fā)現(xiàn)奧爾發(fā)-C3N4是一種超硬材料，其硬度與金剛石相當，且具有良好的導熱性能。

      1996年，Teter和Hemley利用第一性原理對C;N4的結構進行系統(tǒng)性的計算分析，提出a相、B相、c相(立方相)、p相(準立方)和g相(石墨相)五種相結構，其中前四種均為具有良好化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性的超硬材料，而g-C3N4則是常溫常壓下穩(wěn)定的軟質相。直到2006年，g-C3N4才被逐漸應用于多相催化領域。研究者們通常出道認為 g-C3N4是一種以七嗪環(huán)(C6N7)為結構單元的二維聚合物，如圖3-1所示。

                                                                                                                                             g-C3N4,的基本性質和制備方法

      作為一種聚合物豐導體，作為一種聚合物半導體，g-C3N4:具有諸多特點。其帶隙約為2.7eV，導帶底和價帶頂位置分別在-1.1V和+16V(VS.NHE)左右，因此可以作為可見光光催化劑應用于很多光催化反應中110.1。其導帶底位置較水的還原電勢更負，也較CO2轉化為碳燃料的還原電勢更負，因此在制備太陽燃料方面具有一定的優(yōu)勢。g-C3N4分子結構中含有類芳烴結構的 C-N雜環(huán),因而具有良好的熱穩(wěn)定性,在空氣中600℃下仍然可以穩(wěn)定存在。g-C3N4具有良好的化學穩(wěn)定性，在水、乙醇、N N二甲基甲酰胺、四氫呋喃、甲苯及稀的酸、堿等多種溶劑中均可穩(wěn)定存在。由于具有類似于石墨的層狀結構，理想單層結構的g-C3N4的比表面積理論值可高達 2500m2.g-1。g-C3N4,制備成本較低，且其僅含有碳和氮這兩種地球上含量豐富的元素,因此可以通過簡單方法對其組成進行微調。此外，8-C3N 的聚合物屬性不僅使其在分子水平上的改性和表面功能化更加容易,也使其物理結構具有充分的柔性，可以作為較好的載體負載各種無機納米粒子，有利于g-CN4基復合材料的制備。聚合物氮化碳可以通過熱縮聚一些低成本的富氮前驅體來簡單地制備，這些前驅體包括但不局限于氰胺、雙氰胺、三聚氰胺、硫脲和尿素等，如圖 3-2和表 3-1所示。

      此外，也有少量的研究報道用電化學沉積法和溶劑熱法制備 g-C3N4。然而，用傳統(tǒng)方法制備的氮化碳材料通常光催化效率較低。半導體的光生電子和空穴的復合過程(約為 10-9s)比表面催化反應過程(10-8~10-1s)要快得多，這就導致大多數(shù)載流子被浪費，從而降低太陽能轉化效率。因此，構建復合光催化劑對于改善氮化碳材料的電荷分離和擴展其光吸收能力具有重要的意義。同時，反應物分子或離子的吸附和活化以及產物分子的脫附是影響表面催化過程的關鍵因素,故還需要通過有效的策略來改進光催化劑的表面性質，促進表面催化反應。

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