石墨相氮化碳的制備及應(yīng)用進(jìn)展

許杞祥

摘要：近些年來，非金屬半導(dǎo)體光催化劑的開發(fā)成為全球光催化研究的又一熱點(diǎn)，其中石墨相氮化碳（g-C₃N₄）備受國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。近年來，國內(nèi)外學(xué)者通過溶劑熱法、固相合成法以及熱聚合法等已經(jīng)成功地合成出具有不同形貌或者接近于理想結(jié)構(gòu)的氮化碳并應(yīng)用于光催化領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：石墨型氮化碳;制備;應(yīng)用

作為利用太陽能新型技術(shù)之一的半導(dǎo)體光催化技術(shù)在治理環(huán)境污染以及解決能源危機(jī)方面展現(xiàn)出應(yīng)用潛力^[1]。石墨型氮化碳具有適中的帶隙寬度、獨(dú)特的電子性質(zhì)以及良好的化學(xué)穩(wěn)定性，作為可見光催化劑在光解水制氫、有機(jī)合成及降解污染物等方面顯示出優(yōu)越性^[2-4]。

1.氮化碳的制備

1.1溶劑熱法

溶劑熱法是較早被用于制備氮化碳的一種方法，它具有反應(yīng)體系均勻性好、

條件溫和、操作過程容易控制和流動(dòng)性好等優(yōu)點(diǎn)。例如，福州大學(xué)王心晨課題組

以三聚氯氰和三聚氰胺為前驅(qū)體，分別利用乙腈、苯、氯仿為溶劑，考察不同反應(yīng)溫度對所制備氮化碳晶型及形貌的影響，最后，在反應(yīng)溫度 180 °C 時(shí)，利用乙腈為溶劑，制備出直徑約為 50 nm、長度約為1 μm 結(jié)構(gòu)均一的 g-C3N4納米棒[5]。

1.2固相合成法

固相反應(yīng)法利用具有三嗪結(jié)構(gòu)的化合物通過固相混合，在高溫高壓下實(shí)現(xiàn)碳氮鍵的斷裂與重組，最終促進(jìn)類石墨相氮化碳的形成。例如，Zhang 等人[6]將碳氮前軀體三聚氰胺和三聚氯氰混合，使其在 500～600 °C 下發(fā)生固態(tài)反應(yīng)，合成出晶態(tài)為石墨相的氮化碳衍生物，此外，各種形貌如球狀、納米線狀、納米管狀、空心球狀以及纖維狀的氮化碳也被成功地合成出來[7]。

1.3熱聚合法

熱聚合法是近年來制備 g-C3N4較為常用的一種方法。它具有操作步驟簡便、制備周期短等優(yōu)點(diǎn)。少數(shù)單體，在高溫下產(chǎn)生自由基進(jìn)行聚合通常以含碳氮元素的小分子為前驅(qū)體，通過改變熱聚合溫度實(shí)現(xiàn)不同結(jié)晶度 g-C3N4的制備。

2.氮化碳在光催化中的應(yīng)用

2.1g-C3N4光解水制氫

作為一種光催化劑，g-C3N4聚合物由于擁有合適的價(jià)帶及導(dǎo)帶位置，使其具有光解水制氫氣及氧氣的能力。

2.2g-C3N4光降解污染物

作為一種新型技術(shù)，半導(dǎo)體光催化技術(shù)在處理環(huán)境有機(jī)污染物方面展現(xiàn)出極

好的能力。g-C3N4聚合物憑借其特有的電子結(jié)構(gòu)及化學(xué)穩(wěn)定性被廣泛地應(yīng)用于光催化降解甲基橙（MO），亞甲基藍(lán)（MB），羅丹明 B（RhB），苯酚，NO及 Cr（VI）中。

2.3g-C3N4光催化 CO2的還原

利用光催化技術(shù)將 CO2轉(zhuǎn)化成碳?xì)浠衔锶剂喜粌H可以減少全球溫室氣體的影響，還可以制造能源燃料，解決能源危機(jī)。CO2的還原是多部反應(yīng)，并且還原產(chǎn)物在不同的還原電位上是不同的，主要有：甲酸、一氧化碳、甲醛、甲醇以及甲烷。

2.4g-C3N4催化有機(jī)合成反應(yīng)

g-C3N4聚合物基光催化劑在有機(jī)物官能團(tuán)選擇性氧化轉(zhuǎn)化方面展現(xiàn)出潛在的應(yīng)用，比如苯氧化成苯酚、苯甲醇氧化成苯甲醛、苯甲硫醚氧化成苯甲亞砜等等。此外，g-C3N4還可以用于各種胺類的氧化[8]以及苯甲硫醚氧化[9]。

3.總結(jié)及展望

作為一種古老的聚合物，氮化碳（C3N4）具有密度低、穩(wěn)定性好、兼容性高、耐磨性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在光催化領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用。然而，由于聚合物的材料特性，g-C3N4仍然存在比表面積小、光生電子和空穴易于復(fù)合等問題，使其光催化性能較低，制約其在能源、環(huán)境光催化領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，為了提高g-C3N的光催化性能，對g-C3N的改性將成為又一個(gè)研究熱點(diǎn)，例如非金屬摻雜、貴金屬表面沉積、半導(dǎo)體復(fù)合、敏化材料改性等。

參考文獻(xiàn)

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