石墨相氮化碳光催化剂的研究进展

doi:10.3969/j.issn.1006-396X.2021.06.005

摘要/Abstract

摘要：

光催化技术的发展日益成熟，其中石墨氮化碳(g?C₃N₄)作为一种能够响应可见光的非金属催化剂，因其具有可调节的能带结构，较高的物理化学稳定性以及环境友好等特点，在太阳能转换和环保领域得到了广泛的关注，成为新的研究热点。但是其自身也存在一些缺陷，例如比表面积小、光生电子空穴对易复合、光能利用率不高等，限制了g?C₃N₄在实际生产生活中的应用。因此结合国内外g?C₃N₄领域的发展和研究成果，从发展过程、合成方法、改性优化、性能应用等方面对g?C₃N₄进行了总结，并对如何进一步提高g?C₃N₄性能进行了展望。

关键词: 催化剂, 石墨相氮化碳, 改性, 应用

Abstract:

The photocatalysis technology becomes more and more mature. As a non?metallic visible light responsive catalyst, carbon nitride (g?C₃N₄) has attracted wide attention in the field of solar energy conversion and environmental protection due to its adjustable band gap structure, high physicochemical stability and environmental friendliness. It has become a new research hotspot. However, g?C₃N₄ also has some defects, such as small specific surface area, recombination of photogenerated electron and holes, and low utilization rate of light energy,which limit the application of g?C₃N₄ in practice.Therefore,the review focus on the development and research results of g?C₃N₄,and summarizes g?C₃N₄ from the aspects of development process,synthesis method, performance application,modification and optimization,and predicts how to further improve the performance of g?C₃N₄ to cope with the future development of the world.

Key words: Catalyst, Graphite carbon nitride, Modification, Application

中图分类号:

O643.3

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图/表 7

图1 g?C3N4的层状结构（a）三嗪环结构（b） 3?s?三嗪环结构

Fig.1 The layered structure of g?C3N4

表1 不同前驱体, 反应条件对g?C3N4比表面积和带隙的影响

Table 1 The influence of different precursors and reaction conditions on the specific surface area and band gap of g?C3N4

前驱体	时间	焙烧温度/^oC	气氛条件	比表面积/ (m $2$ $⋅$ g^⁃1)	带隙能/eV	参考文献
氰胺	4 h	550	空气	10.0	2.70	[25]
双氰胺	2 h	550	空气	30.4	2.58	[26]
双氰胺	先煅烧4 h，再二次热处理1 h	550/510	先空气后氨气	196.0	2.59	[27]
三聚氰胺	2 h	520	空气	173.6	2.89	[28]
三聚氰胺	2 h	520	氮气	17.4	2.74	[29]
硫脲	2 h	550	空气	27.1	2.46	[26]
尿素	3 h	550	空气	69.6	2.73	[21]
尿素	2 h	600	空气	77.0	2.67	[22]
尿素	4 h	600	空气	43.8	2.85	[22]

表1 不同前驱体, 反应条件对g?C3N4比表面积和带隙的影响

Table 1 The influence of different precursors and reaction conditions on the specific surface area and band gap of g?C3N4

前驱体	时间	焙烧温度/^oC	气氛条件	比表面积/ (m $2$ $⋅$ g^⁃1)	带隙能/eV	参考文献
氰胺	4 h	550	空气	10.0	2.70	[25]
双氰胺	2 h	550	空气	30.4	2.58	[26]
双氰胺	先煅烧4 h，再二次热处理1 h	550/510	先空气后氨气	196.0	2.59	[27]
三聚氰胺	2 h	520	空气	173.6	2.89	[28]
三聚氰胺	2 h	520	氮气	17.4	2.74	[29]
硫脲	2 h	550	空气	27.1	2.46	[26]
尿素	3 h	550	空气	69.6	2.73	[21]
尿素	2 h	600	空气	77.0	2.67	[22]
尿素	4 h	600	空气	43.8	2.85	[22]

图2 三维纳米多孔石墨氮化碳的光催化产氢机理

Fig.2 Photocatalytic hydrogen production mechanism diagram of three?dimensional nanoporous graphite carbon nitride

图3 MCNS光催化降解双酚A机理

Fig.3 The mechanism of MCNS photocatalytic degradation of bisphenol A

图4 Cu?g?C3N4光催化降解污染物机理

Fig.4 Cu?g?C3N4 photocatalytic degradation mechanism of pollutants

图5 多孔棱镜状石墨相氮化碳的光催化固氮反应的机理

Fig.5 Mechanism of photocatalytic nitrogen fixation of porous prismatic graphite carbon nitride

图6 SnO2/g?C3N4的光催化产氢机理

Fig.6 SnO2/g?C3N4 photocatalytic hydrogen production mechanism

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