高比表面积石墨相氮化碳的制备及其光催化应用研究

石墨相氮化碳(g-C_3N_4)具有较好的物理化学稳定性、合适的能带结构和良好的可见光吸收性能,因而在光催化领域得到了广泛关注.作为异相催化剂,高比表面积可以提供较多的反应位点,增加反应物的接触,改善传质,从而促进催化性能的提升.本文综述了高比表面积g-C_3N_4的合成方法,介绍了两种增加g-C_3N_4比表面积的途径:(1)模板法制备多孔g-C_3N_4;(2)剥离法制备薄层g-C_3N_4纳米片.本文对高比面积g-C_3N_4的光催化应用也做了相应的介绍,并对g-C_3N_4的发展前景做了展望.     

石墨相氮化碳光催化产氢性能提升策略研究进展

石墨相氮化碳(g-C3N4)因带隙窄、稳定性高、成本低、污染小等优势在光催化产氢领域受到了研究者们的广泛关注.然而,纯g-C3N4直接作为光催化剂在应用时常存在比表面积小、可见光利用效率低以及光生载流子复合过快等缺陷,导致其光催化产氢性能较不理想.因此,如何改善g-C3N4的光催化产氢性能是目前光催化领域的研究热点.该文针对g-C3N4光催化产氢性能的优化研究,系统综述了g-C3N4在形貌调节、杂原子掺杂和异质结构建三个方面的改性研究进展,归纳总结了目前存在的问题,并对今后g-C3N4产氢光催化剂的研究重点和方向做出了展望.     

WO3/g-C3N4复合催化剂的制备及其可见光 光催化性能分析

在盐酸质子化条件下,采用超声微波协助法成功制备了可见光型复合催化剂WO3／g-C3 N4。利用X射线多晶粉末衍射仪（XRD）、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、紫外可见漫反射（UV-Vis）和BET比表面测试仪对样品进行了表征,并以罗丹明B（RhB）为目标降解物对其光催化性能进行研究。结果表明：复合催化剂样品是由片状的 WO3纳米片负载在g-C3 N4表面组成的。当 WO3负载的质量分数为40％时,前驱物在500℃条件下煅烧2 h后所得样品的光催化性能明显好于同条件下制得的单一相 WO3和g-C3 N4,在可见光（波长大于420 nm）照射下,5 h 内对100 mL浓度为10－5 mol／L罗丹明B橙溶液的降解高达98％。     

可见光下氮化碳活化过硫酸钠降解罗丹明-B

本文以尿素为原材料，高温聚合法制备了石墨相氮化碳（g-C3N4）纳米片催化剂，采用X射线衍射（XRD）、紫外可见漫发射（DRS）等对g-C3N4进行表征，研究了可见光下g-C3N4活化过硫酸钠对罗丹明-B的效果，并对降解过程中的影响因素如g-C3N4的投入量、过硫酸钠的投入量进行了考察. 结果表明:g-C3N4在可见光下协同过硫酸钠降解罗丹明-B的效果最佳，反应30分钟后，降解率达到91.67%. 罗丹明-B的降解效率随着g-C3N4和过硫酸钠投加量的增加而提高. 对反应过程中过硫酸钠浓度的滴定结果表明:g-C3N4在可见光下对过硫酸钠有一定的活化效果. 经过四次循环降解实验，g-C3N4催化剂仍然具有较好的活性.     

溶剂热法制备TiO2/g-C3N4及其光催化性能

采用溶剂热法合成了可见光响应的TiO2/g-C3N4复合光催化剂,并对TiO2/g-C3N4进行质子化处理。通过X射线衍射、氮气吸附-脱附BET法、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、傅里叶红外光谱、紫外-可见漫反射和荧光光谱等方法对样品进行了表征,并以甲基橙(MO)光催化降解为模型反应,考察了可见光下制备的样品的光催化性能。结果表明,多孔TiO2纳米晶与g-C3N4形成具有"芝麻饼"形貌的复合结构;TiO2/g-C3N4复合光催化剂的吸收带边扩展到465nm,较TiO2出现明显红移;TiO2与g-C3N4能带匹配耦合,有效地抑制了电子与空穴的复合;质子化处理过程能够提高可见光区吸收强度和电子的传导能力,增强了TiO2的光催化活性。     

Bi_2O_3/g-C_3N_4复合催化剂的制备及其性能研究

分别以硫脲、尿素、二氰二胺为前驱体,采用热解法合成g-C3N4,再将其与Bi2O3以不同质量比复合煅烧制备Bi2O3/g-C3N4光催化剂,并用XRD、紫外-可见光谱、光致发光光谱等对其进行了表征。以甲基橙为光催化反应的模型化合物,评价了Bi2O3/g-C3N4光催化剂的紫外光催化活性。探索添加不同清除剂(异丙醇、草酸铵、对苯醌、H2O2酶)后对紫外光催化活性的影响;以对苯二甲酸作为探针分子,结合化学荧光技术研究了Bi2O3/g-C3N4光催化剂表面羟基自由基的生成。实验结果表明:(1)在450℃下煅烧硫脲制备的g-C3N4具有较高的光催化活性;(2)当g-C3N4在Bi2O3/g-C3N4复合光催化剂中质量百分率为80%时,Bi2O3/g-C3N4的光催化活性最高,甲基橙的光催化降解率达到59.1%。     

g-C3N4/TiO2复合光催化剂制备及其第一性原理计算

为了提高二氧化钛（TiO2）在可见光范围下的光催化活性,采用三聚氰胺与商用TiO2高温复合制备出高效的g-C3N4/TiO2复合型光催化剂。通过单因素实验研究三聚氰胺与TiO2的质量配比、煅烧温度和煅烧时间对g-C3N4/TiO2光催化活性的影响。在单因素控制变量法下设计正交实验确定其最佳制备工艺为：三聚氰胺和纳米TiO2 的质量配合比为3.5:1,煅烧温度为580 ℃,煅烧时间为3.5 h,在该工艺条件下得到的g-C3N4/TiO2复合光催化剂对一氧化氮（NO）的降解效率高达74.77%。然后基于第一性原理从原子尺度出发计算复合体系的能带结构和差分电荷密度,分析其光催化活性增强机理。计算结果发现两个表面之间会形成一个内极电场,延长了光生电子和空穴的寿命,导致光催化活性增强。     

g-C_3N_4纳米棒/TiO_2/Ni/CNTs复合物的制备及其光催化性能

通过简单的快速加热回流本体氮化碳制备了缺陷较少的g-C3N4纳米棒;然后采用缓慢水解法在g-C3N4纳米棒表面负载掺杂镍的TiO2前驱体,经热处理制得g-C3N4纳米棒/TiO2/NiO纳米复合光催化剂;最后以TiO2中的Ni为催化剂,采用化学气相沉积法原位生长CNTs,制备g-C3N4纳米棒/TiO2/Ni/CNTs纳米复合光催化剂。通过XRD、TG、TEM、FT-IR、UV-Vis等测试方法对催化剂进行表征,考察了样品在紫外光和可见光下对亚甲基蓝(MB)的光催化降解活性。结果表明:g-C3N4纳米棒/TiO2/Ni/CNT纳米复合物在紫外和可见光下对亚甲基蓝的降解率分别为87%和68%,光催化活性较g-C3N4/TiO2/NiO有明显提高。     

银硫二元掺杂聚合氮化碳光催化快速降解四环素

采用煅烧-沉积法制备了非金属硫(S)和单质银(Ag0)改性的g-C3 N4,对改性的催化剂进行了详细的表征.将改性的g-C3 N4应用于光催化降解常用的抗生素——四环素,可见光下短短的28 min,就可将四环素完全降解.同时,也能快速完全降解其他有机污染物,如(15 min)罗丹明B(RhB)、(12 min)甲基橙(MO)和(150 min)卡马西平(CBZ).合成催化剂的高效光催化性能主要归因于:g-C3 N4氧化还原电位的调节、可见光利用率的提升、复合物比表面积的增大及电子-空穴的分离率的增强.活性物种捕获实验表明,·O2-是最主要的反应活性物种,提出了复合物光催化快速降解四环素反应可能的机制.此外,复合催化剂具有良好的重复使用率和结构稳定性.     

低光照强度下氧化石墨烯-g-C3N4/PVDF膜的光催化降解性能研究

基于π-π非共价掺杂的原理,采用半封闭高温烧结法制备了GO/g-C3N4。结构分析表明,GO与g-C3N4发生了相互作用。考察了GO引入前后g-C3N4在低光照强度下紫外光降解甲基橙的光催化活性。结果表明,掺杂适量的GO能够提高g-C3N4的光催化活性,当烧结温度为500℃、GO掺杂量为0.5wt%,热解温度为500℃时光催化降解率最高,达到39.50%。     

环境光催化剂改性及应用研究进展

碳酸氧铋和石墨型碳化氮(g-C_3N_4)作为近年报道的新型光催化材料受到研究者的广泛关注,介绍了碳酸氧铋和g-C_3N_4两种光催化剂的制备及改性方法;归纳了非金属元素掺杂碳酸氧铋、碳酸氧铋复合光催化剂、金属表面沉积碳酸氧铋材料的研究;总结了近年g-C_3N_4形貌调控,g-C_3N_4复合光催化剂,g-C_3N_4掺杂改性的研究;阐述了碳酸氧铋和g-C_3N_4光催化材料的发展趋势。     

超薄g-C3N4吸附性能的研究

吸附法具有操作简便、高效、吸附剂可再生等优点,被普遍认为是去除工业染料的最有效方法之一.以三聚氰胺为前驱体,采用热聚合法,制备了块体g-C3N4,并使用热剥离法对其进行剥离,得到一次剥离g-C3N4和二次剥离g-C3N4产物.通过TEM、AFM、XRD、DRS、BET对其形貌、组成和结构进行了表征,同时探索了温度、pH、起始浓度、吸附时间对超薄g-C3N4的吸附性能的影响.结果表明：50 mg块体g-C3N4、一次剥离g-C3N4、二次剥离g-C3N4在1 h内对90 mg·L－1有机染料罗丹明B (RhB)和100 mg·L－1刚果红 (CR)的最大吸附量分别为：7.270 mg·g－1、5.207 mg·g－1;20.463 mg·g－1,20.909 mg·g－1;36.094 mg·g－1,50.375 mg·g－1.特别是在一次剥离g-C3N4的吸附体系中,证实了RhB和CR的吸附Freundlich等温线方程分别为ln qe ＝－0.93＋0.87ln ce (R2＝0.90)、ln qe ＝－0.09＋0.73ln ce (R2＝0.97);并且RhB的吸附为准一级动力学模型：ln (qe－qt) ＝ －0.04t＋3.3 (R2＝0.93),而CR的吸附为为准二级动力学模型：t/qt＝0.07t＋0.14 (R2＝0.99).第一性原理计算表明,超薄g-C3N4对RhB和CR的吸附动力学模型不同,主要是由于RhB和CR的分子结构不同、前线轨道不同、表面静电势不同,使其在超薄g-C3N4的表面上的吸附位点和吸附能不同等微观差异所导致的.这将为二维材料吸附、检测、降解环境污染物提供新的视野.     

C/N自掺杂提高g-C3N4光响应的理论研究

依托半导体的光催化性能对环境中的污染物进行降解是解决环境污染的一种有效途径.类石墨烯相C_3N_4(g-C_3N_4)具有稳定的化学性能和独特的电子结构,在光催化领域展现出巨大的应用潜力.采用第一性原理,本文对不同比例的C/N自掺杂g-C_3N_4的晶体结构和电子结构进行了探究.通过不同掺杂位形成能的比较,探究了单原子替位掺杂和多原子表面转移掺杂的最优化结构.通过电子结构的比较发现:C原子自掺杂较N原子自掺杂形成能更低,易于在实验中实现;随N掺杂比例的增加, g-C_3N_4的吸收光谱向红外移动; C掺杂比例为1/12时对可见光的响应最强.该理论结果除获得掺杂的微观机理解释,亦利于对后续实验的合成提供理论依据和指导.     

碳掺杂pg-C3N4的制备及其光催化性能研究

为了提高单一半导体材料的光催化活性,采用水热法制备高比表面积的多孔石墨相氮化碳(pg-C₃N₄),通过碳掺杂和金纳米粒子(AuNPs)负载对pg-C₃N₄进行改性得到Au/pg-C@C₃N₄复合纳米材料,并对复合材料的组成、微观结构和性能进行表征。结果显示,碳元素的引入并未破坏pg-C₃N₄原有的片层结构,但明显提高了pg-C₃N₄的比表面积（高达158.2 m²/g）;AuNPs引入基体后,AuNPs的等离子共振效应可显著提高基体对可见光的吸收和光生电子-空穴的分离效率;当AuNPs含量为0.5%（质量分数）时,复合纳米材料具有最佳的光催化性能（表观反应速率常数k=0.078 4 s^-1）。因此,通过碳掺杂和纳米Au负载改性pg-C₃N₄可制备高活性复合光催化剂,为今后进一步提高氮化碳基催化剂的催化活性提供了理论基础。     

C3N4的高压电学特性

利用在金刚石对顶砧(DAC)上的集成微电路技术, 高压原位测量类石墨相C₃N₄的电阻. 实验结果表明, 在293 K, 5 GPa和11 GPa的压力点, 电阻明显下降, 与理论计算的结构相变压力点一致; 在77 K, 5 GPa压力点的电阻基本不变; 11 GPa压力点的电阻变化更明显. 在21 GPa压力点附近, C₃N₄的电阻发生突变, 表明此时存在一个未知的相变.      

Preparation of 3D graphene-based architectures and their applications in supercapacitors

Three dimensional (3D) graphene-based architectures such as 3D graphene-based hydrogels, aerogels, foams, and sponges have attracted huge attention owing to the combination of the structural interconnectivities and the outstanding properties of graphene which offer these interesting structures with low density, high porosity, large surface area, stable mechanical properties, fast mass and electron transport. They have been extensively studied for a wide range of applications including capacitors, batteries, sensors, catalyst, etc. There are several reviews focusing on the 3D graphene-based architectures and their applications. In this work, we only summarise the latest development on the preparation of 3D graphene-based architectures and their applications in supercapacitors, with emphasis on the preparation strategies.     

Photocatalytic oxidation of gaseous benzene over nanosized TiO2 prepared by solvothermal method

Nanosized TiO2 particles were prepared by solvothermal method using tetrabutyl titanate as precursor,ethanol and water as solvents,and a facile immobilization method of nanosized TiO2 particles on woven glass fabric was developed. The samples obtained under various preparation conditions were charac-terized by means of thermo gravimetric analysis(TG) and differential scanning calorimetry(DSC) ,X-ray diffraction(XRD) ,transmission electron microscopy(TEM) ,high resolution-transmission electron mi-croscopy(HR-TEM) ,and Brunauer-Emmett-Teller(BET) . The results show that the cube-shape of TiO2 prepared by solvothermal method has good crystallinity of(101) surface,higher thermal stability and large specific surface area. Scanning electron microscopy(SEM) images confirmed that the immobi-lized TiO2 film was uniformly distributed and clung to the substrate firmly. The photocatalytic activity of the catalysts was tested using photocatalytic oxidation of gaseous benzene. The results show that the TiO2 calcined after solvothermal treatment suffers from lower specific surface area,and hence de-creases its photocatalytic activity. The photocatalytic activities of the TiO2 by solvothermal treatment with or without calcination in degradation 400 mg/m3 benzene are 3.7 and 4.1 times as high as catalyst without solvothermal treatment,respectively.