石墨相氮化碳（g-C 3 N 4 ）用于光催化产氢的研究进展

发布时间：2021-08-30 05:01

　　随着社会与科技的飞速进步,化石能源急剧消耗,并且环境污染问题日益严重,寻找一种可持续的环境友好燃料能源成为了一个被广泛研究讨论的问题。半导体光催化剂的出现,为解决该问题提供了一条新途径,半导体光催化剂可以在光照的情况下通过分解水将太阳能转化为氢能,实现一种绿色环保的高热值能源的可持续生产。在众多的半导体光催化剂中,g-C₃N₄凭借制备方法简单、成本低廉、稳定性好以及合适的能带结构等优点而备受关注,但是由于其光生电子和空穴转移慢且易复合、光吸收范围较窄以及较低的比表面积,使其光催化性能不够理想,近几年众多学者针对这些问题开展了大量研究,以提升其光催化性能。本文针对g-C₃N₄的改性研究重点综述了元素掺杂改性和构建半导体异质结两方面的研究进展,归纳了目前存在的问题,提出了相应的解决建议,并对后续的发展趋势做出了展望。 

【文章来源】：功能材料与器件学报. 2020,26(01)

【文章页数】：9 页

【部分图文】：

光催化水解产氢示意图[11]

石墨相氮化碳(g-C3N4)用于光催化产氢的首次报道出现于2009年,当时Wang等人将g-C3N4粉体作为光催化剂,研究了其在可见光照射下的光催化活性[16]。氮化碳是由共价键连接组成的非金属半导体聚合物,理论上,存在α相、β相、立方相、伪立方相以及石墨相几种假设相,并有学者发现,其中构建石墨相的基本结构单元有两种,分别为三嗪(C3N3)结构和七嗪环(C6N7)结构,如图2所示[17, 18]。有学者对比了几种结构相的热力学稳定性,发现了以七嗪环(C6N7)结构为基本单元构成的g-C3N4是最稳定的相[19]。所以七嗪环结构被默认为是构成g-C3N4的基本单元,g-C3N4具有和石墨类似的结构,每一层为sp2轨道杂化的C原子和N原子组成的大π键共轭体系,两层间的距离约为0.326nm[20]。g-C3N4的价带和导带分别由NPZ轨道和CPZ轨道组成,带隙为2.7eV,光吸收边为460nm。在理想情况下,单层的g-C3N4的理论比表面积可高达2500 m2·g-1[21],由于层间存在分子间相互作用力,使得g-C3N4并不溶解于强酸强碱等化学溶剂中,表现出极强的化学稳定性[22, 23]。2 g-C3N4的制备

掺杂改性是材料研究过程中最为常见的一种改性方法,通过金属离子、非金属原子等对材料进行掺杂,可以有效的调节半导体的能带结构,从而改变材料的光学、电学等物理化学性能。因此,在对g-C3N4的性能改性研究过程中,元素掺杂同样被广泛研究。因为g-C3N4独特的化学结构,其掺杂方式又可分为层间掺杂和碳氮杂环面内掺杂,环内掺杂示意图如图3所示[39]。图4 掺杂g-C3N4的p-嵌段元素的电子结构。


本文编号：3372117