石墨相氮化碳的制备及在光催化领域应用的研究

刘可凡　霍原非　唐新峰

摘要 石墨相氮化碳（ g-C3N4）因其制备工艺简单、结构稳定、价格低廉、对可见光响应性能优异等特点，得到众多研究者的青睐，被广泛应用于光催化领域中。本文综述了石墨相氮化碳的制备方法、光催化机制和其应用，总结了石墨相氮化碳的发展现况，并且对其进行了展望。

关键词 石墨相氮化碳;光催化;制备方法;技术应用;前景展望

石墨相氮化碳（ g-C3N4）具有热力学下最稳定的相，同时具有类石墨层状结构[1]，从而更易制得较大比表面积的g-C3N4，其光催化性能相对更加优异。

本文从g-C3N4的制备、光催化机制及应用等方面，综述了g-C3N4在光催化领域中的研究进展，并且对其进行了展望。

1.制备方法

1.1.模板法

模板法适合绝大多数纳米结构的制造，并且可以在一定程度上有效提高g-C3N4的比表面积，分为硬模板法和软模板法两种，其思路都是将孔径可调的纳米结构加入到氮化碳的结构中，提高g-C3N4的比表面积。

硬模板法主要是采用有序的硅基材料或二氧化硅纳米颗粒作为模板，和含氮前驱体混合后高温焙烧，最后用氢氟酸或氢氧化钠刻蚀去除二氧化硅。这种方法获得的g-C3N4空隙较多，孔径较大，比表面积也较大，其内部的空隙中便可进行光催化反应，又因其自身化学性能稳定，光催化效果很好。

软模板法主要利用表面活性剂自组装法[2]。虽然这种方法工艺简单，周期较短，但因模板在焙烧时容易分解并未得到进一步的推广使用。

1.2热聚合法

热聚合法，也称缩聚法，是传统制备g-C3N4的首选方法，该方法主要通过升温令前驱体发生缩聚反应来获得g-C3N4。这种方法虽然制得的g-C3N4比表面积较小，但是操作简单、易控制，是规模化生产g-C3N4的首选途径。

1.3超分子自组装法

超分子自组装法主要通过前驱体分子间的弱相互作用（范德华力、氢键等）自发地生成有序的超分子组装体，再通过高温聚合获得g-C3N4[2]。这种方法使其纳米结构更加完整，对可见光的吸收性能更强，电子和空穴的复合率更低，催化性能好值得研究者对其进行更深一步的探究。

2.光催化机制

g-C3N4的禁带宽度较窄，在光的照射下，其吸收光子的能量大于等于禁带宽度时，电子从价带跃迁至导带上，同时在价带上形成空穴，之后，二者会迁移至其表面，参与氧化还原反应[3]。其中，光生电子会和g-C3N4周围的02或者H20反应生成02，空穴则会与g-C3N4周围的OH或者H2O反应生成羟基自由基，而羟基自由基具有非常强的氧化性，这使得反应的活化能有效降低，反应更容易进行，从而提高了反应的速率。

3.光催化应用

3.1光催化分解CO，

自第一次工业革命以来，人类对化石燃料的使用日益增加，C02的排放量也逐渐增大。Wang[4]以硫脲为前驱体制备了掺硫的g-C3N4，可将C02气体转化为甲醇，在降低空气中C02含量的同时制备了新的能源物质。

3.2光催化制氢

随着人类对于能源的需求的日益增加，氢气作为一种理想的能源，十分符合人类的需要，而g-C3N4则具有良好的光催化制取氢气的能力。g-C3N4吸收可见光所产生的光生电子和空穴会迁移至其表面，并会在表面活性位点处发生反应。其中，光生电子会与水反应生成氢气，空穴则会被消耗，这提高了g-C3N4光催化制氢的速率。

3.3光催化降解污染物

如今，各种有害的化学物质被排入水中，严重威胁着地球上生物的安全。如何有效地将水中的污染物降解为无毒害物质，是如今世界的一个难题。g-C3N4可以利用其吸收可见光后产生的光生电子和空穴将水中的有害的高分子有机物分解为小分子，从而净化水资源。

4.总结与展望

石墨相氮化碳因其成本低廉、工艺简单、催化效率较高、应用范围较广等特点成为光催化领域中一个不可或缺的研究热点。然而其仍然存在许多不足之处需要进行进一步的改善：1.大多制备方法都要在高温下进行，而g-C3N4在超过600℃时会分解，降低其产率。2.難以控制合成出少层或者单层的g-C3N4，产品的比表面积依旧较小。3.g-C3N4主要吸收的是蓝紫光，而对其他可见光的吸收较少，其对光的能量利用效率还有待进一步地提高。然而继续改进制备工艺、引入其他物质对g-C3N4进行改性，有望使g-C3N4领域获得空前的发展。

参考文献

[1]Kroke E，Schwarz M，Horathbordon E， et al. Tris-triazine derivatives. Part I.From trichloro-tri-striazine to graphitic C3N4 structures[J].New Journal ofChemistry， 2002， 26 （5）：508-512.

[2]李伦，宋金玲，王宝英，段成林.石墨相氮化碳的研究进展[J].内蒙古科技大学学报，2017，36 （04）：377-382.

[3]李佳.石墨相氮化碳（g-C_3N_4）的结构调控与光催化制氢增强机制研究[D].西安理工大学，2019.

[4]Wang K，Li Q，Liu B，et al. Sulfur-dopedg-C3N4 with enhanced

photocatalytic C02-reductionperformance[J].Applied catalysis B：Environmental， 2015，176 177：44 52.

作者简介：

刘可凡（2000.2.7），男，籍贯：山东省淄博市，职称和学历：本科生，研究方向或专业：材料科学与工程。