g-C3N4及其復(fù)合材料電催化還原反應(yīng)的研究進(jìn)展

黃 浩，劉昊權(quán)，任興輝，韓 雨，姚文博

(燕山大學(xué) 亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 秦皇島 066004)

0 引言

人類步入工業(yè)社會(huì)以來，對(duì)煤炭、石油等傳統(tǒng)化石燃料的消耗與日俱增，能源危機(jī)和環(huán)境問題日益嚴(yán)重，并且如今人類社會(huì)的能源需求仍在不斷增長，傳統(tǒng)的化石燃料儲(chǔ)量已經(jīng)略顯疲態(tài)。為應(yīng)對(duì)上述問題，人類有必要尋找清潔、可再生、高效的能源替代化石燃料，科研人員為開發(fā)綠色清潔能源做出了巨大努力，開發(fā)綠色可再生能源已成為當(dāng)今世界的熱門話題[1-5]。其中，氫能、燃料電池、電催化還原二氧化碳、電催化氮還原合成氨等能源存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換方面的研究備受關(guān)注[6-7]。但在此類能源轉(zhuǎn)換裝置中，往往涉及動(dòng)力學(xué)緩慢的電化學(xué)反應(yīng)，為了使電化學(xué)反應(yīng)以所需要的速度進(jìn)行，通常會(huì)產(chǎn)生較大的過電位，造成大量的能量浪費(fèi)。電催化劑能加快電極、電解質(zhì)界面上的電荷轉(zhuǎn)移速度，加速電化學(xué)反應(yīng)過程，達(dá)到最大的能量利用率。因此，開發(fā)高效的電催化劑具有重要意義[8-10]。

由于貴金屬最外層的d軌道屬于未填滿狀態(tài)，其特殊的電子排布狀態(tài)使其極易吸附反應(yīng)物分子成為催化活性中心，且具有良好的穩(wěn)定性，因此貴金屬仍被認(rèn)為是最有效的電催化劑[11-13]。但貴金屬儲(chǔ)量稀缺、成本高昂[14-15]，為解決此問題，科研人員主要從兩方面進(jìn)行研究：一是將貴金屬與非貴金屬材料復(fù)合，降低貴金屬的使用量，提高利用率；二是開發(fā)非貴金屬電催化劑，目前已經(jīng)研制出過渡金屬[16]、鈣鈦礦型[17]、金屬碳化物[18]等多種電催化劑，取得了極大進(jìn)展。

石墨相氮化碳(g-C3N4)是一種無機(jī)非金屬聚合半導(dǎo)體材料，具有優(yōu)異的電子能級(jí)結(jié)構(gòu)，在電催化過程中可以實(shí)現(xiàn)電子躍遷和轉(zhuǎn)移，且化學(xué)結(jié)構(gòu)獨(dú)特，具有良好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性[19-21]。目前g-C3N4已成功應(yīng)用于傳感器、催化劑載體、儲(chǔ)能材料等電化學(xué)領(lǐng)域。但由于g-C3N4作為半導(dǎo)體材料，與貴金屬相比導(dǎo)電性很差，直接用作電催化劑材料并不理想。因此，一般通過對(duì)g-C3N4形貌調(diào)控、元素?fù)诫s和與其他材料構(gòu)建復(fù)合材料等手段對(duì)其進(jìn)行改性[22-27]。本文綜述了近年g-C3N4及其復(fù)合材料電催化還原反應(yīng)的研究進(jìn)展，指出了目前仍然存在的問題，并對(duì)未來發(fā)展方向進(jìn)行了展望，為開發(fā)高效、低成本的g-C3N4復(fù)合材料電催化劑提供一定的參考。

1 g-C3N4及其復(fù)合材料電催化還原反應(yīng)的研究進(jìn)展

氮化碳是氮碳化物的一種同素異形體，其歷史可追溯到1834年，由Berzelius首次合成，被Liebig命名為“melon”[28-29]，因此被認(rèn)為是最古老的人工合成化合物之一。但是由于氮化碳具備化學(xué)惰性和難溶解性，使得科研人員對(duì)氮化碳材料的相關(guān)研究相對(duì)緩慢[30]。直到1996年，Teter和Hemley通過大量的理論計(jì)算，發(fā)現(xiàn)氮化碳具有五種晶相，分別為α相、β相、c相、p相和g相[31-32]，其中g(shù)-C3N4是軟質(zhì)相，在常溫常壓下具有良好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性。

g-C3N4是一種黃色粉末，具有類似石墨的層狀結(jié)構(gòu)，層與層之間以范德華力結(jié)合。在g-C3N4結(jié)構(gòu)中，C、N以sp2雜化，并以σ鍵連接，剩下的電子形成弧電子對(duì)，以類似苯環(huán)的π鍵連接，通過末端的N原子相連構(gòu)成三嗪環(huán)或七嗪環(huán)[33](如圖1所示[34])。Kroke等根據(jù)密度泛函理論對(duì)g-C3N4的兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論計(jì)算，結(jié)果表明以七嗪環(huán)為結(jié)構(gòu)單元的g-C3N4在熱力學(xué)上更為穩(wěn)定，因此，g-C3N4的結(jié)構(gòu)單元通常被認(rèn)為是七嗪環(huán)[35-36]。

圖1 g-C3N4的兩種結(jié)構(gòu)類型Fig.1 Two structural types of g-C3N4

g-C3N4具有3倍配位(類石墨)和2倍配位(吡啶類)氮原子，并且每個(gè)碳原子與3個(gè)氮原子鍵合，包括吡啶N 和石墨N，豐富的石墨N和吡啶N可提供較高的石墨化度和足夠的活性位點(diǎn)[37]，在電催化領(lǐng)域具有巨大的發(fā)展?jié)摿?。但與一般的碳材料不同的是，g-C3N4的導(dǎo)電性較差，且比表面積小，導(dǎo)致其電催化性能并不理想，是限制g-C3N4在電催化領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的主要因素[38-40]。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)g-C3N4的電催化性能的改性，科研人員做了大量研究。目前，已通過調(diào)控形貌或與貴金屬、非貴金屬材料復(fù)合等方法制備出了高效、穩(wěn)定的電催化劑。

1.1 不同形貌g-C3N4電催化還原反應(yīng)研究進(jìn)展

形貌對(duì)于半導(dǎo)體催化劑的催化性能有著很大的影響。通過改變、控制、調(diào)節(jié)g-C3N4的形貌，以期增大其比表面積，增多電催化反應(yīng)的活性位點(diǎn)，達(dá)到提高g-C3N4電催化性能的目的。經(jīng)過科研人員的不斷探索，目前已經(jīng)制備出g-C3N4納米片[41-42]、g-C3N4納米球[43]、g-C3N4空心微球[44]等多種形貌的g-C3N4電催化劑。

張勝等[45]采用溶劑熱法，通過控制反應(yīng)時(shí)間，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)時(shí)間為12 h時(shí)產(chǎn)品形貌為不規(guī)則的塊狀；24 h時(shí)產(chǎn)品形貌為多孔片狀；48 h時(shí)產(chǎn)品形貌為纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，平均直徑約為60 nm；而反應(yīng)96 h后纖維變粗，直徑約72 nm(如圖2所示)。隨后通過測(cè)定不同形貌樣品的比表面積及阻抗，對(duì)比得出反應(yīng)24 h所得的多孔片狀g-C3N4的比表面積最高，是塊狀g-C3N4的8倍，且其阻抗值也最小。

2016年Guo Shien等人[46]合成了一種P摻雜的g-C3N4六方微管，隨后研究人員針對(duì)管狀g-C3N4結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量研究，但由于制備管狀g-C3N4方法較為苛刻，且形態(tài)混亂，因此Jiang Zhixiang等人[47]在不使用模板的情況下，制備了具有規(guī)則六邊形形態(tài)的g-C3N4納米管。該課題組首先以g-C3N4為原料經(jīng)過熱縮聚反應(yīng)生成六邊形棒狀中間體，再將中間體進(jìn)一步進(jìn)行熱縮聚反應(yīng)生成規(guī)則六邊形納米管。由于電子可以沿管狀結(jié)構(gòu)沿Z軸轉(zhuǎn)移，從而將電子的傳輸限定在特殊的維度上，減少了電子在諸多顆粒晶面處的傳輸阻力，有利于電子轉(zhuǎn)移，導(dǎo)電性得到提升，因此電催化析氫性能(HER)得到了改善。之后Jiang Zhixiang等人在六邊形納米管上沉積了Pt，析氫性能明顯改善，Tafel斜率明顯降低，表明具有更快的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，具有良好的HER催化性能。

將可再生能源與CO2電催化還原技術(shù)結(jié)合，將大氣中的CO2轉(zhuǎn)化為CO、HCOOH、CH3OH、CH4等產(chǎn)物，能夠?qū)崿F(xiàn)CO2的循環(huán)轉(zhuǎn)化，減少大氣中CO2的累積，同時(shí)降低對(duì)傳統(tǒng)化石能源的依賴，因此成為近年來的研究熱點(diǎn)[48-49]。CO2的電還原的反應(yīng)途徑通常涉及3個(gè)相互作用過程：CO2吸附、電荷轉(zhuǎn)移和產(chǎn)物解離，其中前兩步是電子和質(zhì)子轉(zhuǎn)移的電化學(xué)反應(yīng)，第三步是產(chǎn)物從催化劑表面釋放的非電化學(xué)過程。近期，Zhou Chen等人[50]提出了一種N空位工程激活碳活性中心，以促進(jìn)CO2電還原(CO2RR)的新方法，制備了N-空位工程化的g-C3N4(DCN)。N-空位工程化的g-C3N4上將CO2還原為CH4的機(jī)理如圖3所示(*表示激活的位點(diǎn)。黃色代表碳，藍(lán)色代表氮，紅色代表氧，綠色代表氫)。由于圍繞N空位的C原子由三配位轉(zhuǎn)化為二配位，提高了對(duì)反應(yīng)過程中關(guān)鍵中間體的吸附(*CO)，降低了CO2還原為CH4的活化能壘，表現(xiàn)出良好的CO2電還原活性。

圖3 CO2RR在N2V-CN上形成CH4的反應(yīng)能譜(插圖為優(yōu)化的原子結(jié)構(gòu))Fig.3 Calculated reaction energy profiles for CO2RR to form CH4 on N2V-CN(insets are optimized atomic structures)

1.2 貴金屬/g-C3N4復(fù)合材料電催化還原反應(yīng)研究進(jìn)展

由于貴金屬具有優(yōu)良的導(dǎo)電性，且耐酸堿程度高、穩(wěn)定性好，故而貴金屬依然是最有效的電催化還原反應(yīng)催化劑，但貴金屬高昂的成本限制了其工業(yè)化應(yīng)用。因此，目前許多關(guān)于貴金屬催化劑的研究都集中在降低貴金屬的使用量、提高貴金屬的利用效率上[51]，如將貴金屬與非貴金屬形成合金[52-53]、貴金屬與非貴金屬或非金屬復(fù)合形成復(fù)合材料[54]等。由于g-C3N4結(jié)構(gòu)中重復(fù)的s-三嗪?jiǎn)卧拇嬖诳梢允蛊涓菀着c納米粒子配位形成復(fù)合材料，這種強(qiáng)配位作用有助于電子傳輸，且g-C3N4具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和較高的吡啶氮含量，有助于提升電催化性能[55-57]。因此將貴金屬與g-C3N4復(fù)合形成復(fù)合材料，是目前能源領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，貴金屬/g-C3N4復(fù)合材料對(duì)多種電催化還原反應(yīng)表現(xiàn)出良好的催化性能。

2018年，Jiang Binbin等人[57]通過簡(jiǎn)便的溶劑熱法，將Ir納米粒子錨固在g-C3N4/氮摻雜石墨烯表面(Ir/g-C3N4/NG)。Ir納米粒子和NG可以起到改善g-C3N4導(dǎo)電性的作用，同時(shí)g-C3N4可以提高Ir納米粒子的分散性，防止聚集，從而暴露出更多的活性位點(diǎn)。因此該催化劑在0.5 M H2SO4電解液中，表現(xiàn)出與貴金屬基準(zhǔn)催化劑(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的Pt/C)相當(dāng)?shù)腍ER活性和優(yōu)良的穩(wěn)定性。此外，Nimai Bhandary等人[58]通過直接液態(tài)熱處理法，合成了氧化石墨烯上負(fù)載Ag納米顆粒修飾的g-C3N4催化劑(Ag/g-C3N4@GO)。該催化劑在堿性電解液中表現(xiàn)出優(yōu)異的ORR活性，在1 600 rpm下極限電流密度為5.1 mA/cm2，且具有較小的Tafel斜率(117 mV/dec)，遠(yuǎn)低于純g-C3N4(155 mV/dec)。Zhao Siqi等人[59]將碳量子點(diǎn)和金納米顆粒負(fù)載在g-C3N4上，制備了Au-CDots-C3N4三元電催化劑，用于將CO2還原成CO。在Au負(fù)載量為4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，Au-Cdots-C3N4在-0.5 V(vs.RHE)的電勢(shì)下表現(xiàn)出較高的法拉第效率(79.8%)和較低的過電勢(shì)(190 mV)。DFT計(jì)算表明，Au-Cdots-C3N4催化劑對(duì)CO2RR的高活性源自于Au納米顆粒、CDots和g-C3N4之間的協(xié)同作用，CDots對(duì)H+和CO2的強(qiáng)吸附能力。

除單一貴金屬與g-C3N4復(fù)合外，由于兩種金屬之間存在協(xié)同效應(yīng)，能夠進(jìn)一步改善催化劑的性能，因此研究人員對(duì)雙金屬/g-C3N4復(fù)合材料做了深入研究。Roshan Nazir等人[55]以g-C3N4/Ag為前驅(qū)體，通過電交換技術(shù)在g-C3N4表面合成了多種空心雙金屬粒子(AgPd、AgPt、AgAu)，以g-C3N4/AgPt為例，材料合成機(jī)理如式(1)、(2)所示。

C3N4+Ag++NaBH4→C3N4/Ag

(1)

C3N4/Ag(s)+PtCl-(sol)→C3N4/AgPt(s)+
Ag+(sol)+4Cl-

(2)

得益于雙金屬合金帶來的表面修飾和金屬之間的強(qiáng)協(xié)同效應(yīng)，以及該合金納米顆粒的空心結(jié)構(gòu)使活性位點(diǎn)更多地暴露于電解質(zhì)，雙金屬/g-C3N4催化劑均表現(xiàn)出比單金屬C3N4/Ag更優(yōu)異的HER性能。雙貴金屬/g-C3N4催化劑的研究不僅限于HER，F(xiàn)eng Jiuju等人[60]通過簡(jiǎn)單的一鍋水法合成了負(fù)載在g-C3N4上的AuPd納米團(tuán)簇(AuPd NCs/g-C3N4)。該催化劑在ORR中顯示出比商業(yè)Pt/C和Pd/C更正的起始電位(0.98 V vs.RHE)和半波電位(1.09 V vs.RHE)，及更大的極限電流密度(5.4 mV/cm2)，顯示出優(yōu)異的ORR性能。同時(shí)該催化劑還表現(xiàn)出與商業(yè)Pt/C相差無幾的HER性能和極低的Tafel斜率(47 mV/dec)，表明該催化劑是一種性能優(yōu)異的雙功能電催化劑。

1.3 非貴金屬/g-C3N4復(fù)合材料電催化還原反應(yīng)研究進(jìn)展

將g-C3N4與貴金屬復(fù)合形成復(fù)合材料，固然可以提升電催化性能，但從長遠(yuǎn)里看，貴金屬/g-C3N4復(fù)合材料的發(fā)展及應(yīng)用還是受制于貴金屬極為有限的儲(chǔ)量，成本問題依然存在[61]。因此，開發(fā)非貴金屬/g-C3N4電催化劑成為目前的研究熱點(diǎn)之一，研究人員研究了不同非貴金屬/g-C3N4材料的電催化還原反應(yīng)性能(表1～3)。

表1 非貴金屬/g-C3N4復(fù)合材料的電催化氧還原性能Tab.1 Electrocatalytic oxygen reduction performance of non-precious metal/g-C3N4 composite

表2 非貴金屬/g-C3N4復(fù)合材料的電催化析氫性能Tab.2 Electrocatalytic hydrogen evolution performance of non-precious metal/g-C3N4 composite

表3 非貴金屬/g-C3N4復(fù)合材料的電催化氮還原性能Tab.3 Electrocatalytic nitrogen reduction performance of non-precious metal/g-C3N4 composite

1.3.1過渡金屬/g-C3N4復(fù)合材料電催化還原反應(yīng)研究進(jìn)展

在非貴金屬中，過渡金屬成本低廉，且具有良好的催化活性和穩(wěn)定性，成為最有希望的貴金屬替代品之一[62]，引起了科研人員極大的研究興趣。Subhajit Sarkar等人[63]通過簡(jiǎn)便的一步熱聚合法制備了Fe摻雜的g-C3N4(Fe-g-C3N4)。由XPS(圖4(a))確定了其存在大量的Fe-Nx活性位點(diǎn)，因此該催化劑表現(xiàn)出比Pt/C更正的起始電位和半波電位(圖4(b))，具有優(yōu)良的ORR性能。ORR反應(yīng)有四電子途徑(式(3))和二電子途徑(式(4)～(5))兩種：

O2+2H2O+4e-→4OH-

(3)

(4)

(5)

二電子途徑會(huì)生成具有腐蝕性的H2O2，縮短電池壽命。四電子途徑為迅速、高效的一步反應(yīng)過程，被視為理想的反應(yīng)途徑[64]。該團(tuán)隊(duì)研究了在Fe-Nx活性位點(diǎn)上的ORR反應(yīng)機(jī)理(圖4(c))，表明了反應(yīng)中四電子的轉(zhuǎn)移過程。

電催化氮還原反應(yīng)(NRR)作為一種綠色環(huán)保、能耗低并且具有可持續(xù)性的合成氨方法，吸引了越來越多的關(guān)注。一般認(rèn)為，NRR有3種主要的反應(yīng)途徑：解離過程、締合遠(yuǎn)端反應(yīng)過程、締合交替反應(yīng)過程[65]。在解離過程中，N2分子吸附后與催化材料表面兩個(gè)活性位點(diǎn)結(jié)合，N≡N鍵完全斷裂，之后兩個(gè)氮原子分別加氫生成NH3分子；在締合遠(yuǎn)端反應(yīng)過程中，N2分子吸附后與催化材料表面一個(gè)活性位點(diǎn)結(jié)合，N≡N鍵不完全斷裂，遠(yuǎn)離催化材料表面活性位點(diǎn)的N原子先加氫生成一個(gè)NH3分子，剩下的N原子再加氫生成一個(gè)NH3分子；交替反應(yīng)過程是指兩個(gè)氮原子交替加氫生成兩個(gè)NH3分子。Chen Zhe等人[66]通過DFT計(jì)算，評(píng)估了負(fù)載在g-C3N4上一系列過渡金屬元素對(duì)氮還原反應(yīng)(NRR)的催化活性，其中W@g-C3N4可以很好地抑制競(jìng)爭(zhēng)性的析氫反應(yīng)，表現(xiàn)出最佳的NRR活性，極限電位為-0.35 V(vs.RHE)。

此外，過渡金屬碳化物、硫化物、氧化物與g-C3N4復(fù)合材料也表現(xiàn)出優(yōu)良的電催化還原性能。Yu Xuelian等人[67]通過界面靜電相互作用，制備了g-C3N4/Ti3C2電催化劑。層狀g-C3N4不僅可以充當(dāng)Ti3C2納米顆粒生長的基質(zhì)，還有利于提高Ti3C2納米顆粒的分散性，防止聚集；且由于g-C3N4與Ti3C2之間的電子耦合效應(yīng)，增強(qiáng)了氧吸附性能和電荷分離，該催化劑表現(xiàn)出優(yōu)良的ORR性能。Chu Ke等人[68]將MoS2與g-C3N4復(fù)合到一起，制備了具有2D/2D MoS2/g-C3N4異質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料。密度泛函理論計(jì)算表明，兩種二維(2D)材料之間具有界面耦合相互作用。從g-C3N4到MoS2的界面電荷傳輸可以促進(jìn)Mo邊緣位點(diǎn)上關(guān)鍵中間體的穩(wěn)定化(*N2H)，同時(shí)降低反應(yīng)能壘，顯著改善NRR性能，NH3產(chǎn)量為18.5 μg·h-1·mg-1，在-0.3 V(vs.RHE)時(shí)法拉第效率為17.8%。Wang Yanqiu等人[69]通過煅燒-水熱法，將g-C3N4包裹的Co3O4納米顆粒負(fù)載在N摻雜石墨烯上(Co3O4@g-C3N4/NG)。g-C3N4可以保護(hù)Co3O4活性位點(diǎn)，從而提高穩(wěn)定性，而NG充當(dāng)錨定Co3O4@g-C3N4的導(dǎo)電基質(zhì)，提高導(dǎo)電性。該催化劑在堿性溶液中表現(xiàn)出出色的ORR活性，半波電位為0.846 V(vs.RHE)，并且具有優(yōu)良的穩(wěn)定性。

1.3.2非金屬/g-C3N4復(fù)合材料電催化還原反應(yīng)研究進(jìn)展

在過渡金屬/g-C3N4電催化劑受到廣泛關(guān)注的同時(shí)，非金屬催化劑作為貴金屬替代品之一，也表現(xiàn)出出色的電催化還原反應(yīng)性能，展現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿?。石墨烯作為一種具有代表性的非金屬材料之一，因電子遷移率高、比表面積大等優(yōu)點(diǎn)，在很多領(lǐng)域都表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景[70]。石墨烯/g-C3N4復(fù)合材料也被應(yīng)用于電催化還原反應(yīng)領(lǐng)域。2015年，Duan Jingjing等人[71]通過真空過濾法，將二維多孔g-C3N4納米層與氮摻雜石墨烯集成在一起，形成了三維雜化膜(PCN@N-graphene)。這種三維異質(zhì)結(jié)構(gòu)有利于催化活性中心的暴露，具有高孔隙率和強(qiáng)大的機(jī)械靈活性，在酸性環(huán)境中表現(xiàn)出良好的HER性能和優(yōu)異的耐久性。Zhong Haixia等人[72]將g-C3N4量子點(diǎn)均勻分散在石墨烯上(CNQDs@G)。g-C3N4的量子化可以提高電荷轉(zhuǎn)移能力、增加活性位點(diǎn)，且該催化劑具有雙協(xié)同效應(yīng)：第一是分子內(nèi)邊緣位點(diǎn)與分子篩結(jié)構(gòu)之間的協(xié)同效應(yīng)；第二是g-C3N4量子點(diǎn)(CNQDs)與石墨烯(G)之間的協(xié)同效應(yīng)。因此CNQDs@G表現(xiàn)出可與許多金屬催化劑相媲美的HER活性。Chu Ke等人[73]在通過S摻雜劑填充g-C3N4中氮空位(NVs)，制備了一種無金屬的NRR催化劑(S-NV-g-C3N4)。密度泛函理論計(jì)算表明，填充S的催化劑可以打破比例關(guān)系，改善對(duì)NRR中間體的吸附作用，降低能壘。其中S含量為5.2 %(原子分?jǐn)?shù))的S-NV-g-C3N4表現(xiàn)出最佳的NRR活性，NH3產(chǎn)量為32.7 μg·h-1·mg-1，在-0.4 V(vs.RHE)時(shí)法拉第效率為14.1%，大大優(yōu)于原始的g-C3N4和含NV的g-C3N4。

2 結(jié)論與展望

g-C3N4具有獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性，在電催化領(lǐng)域表現(xiàn)出極大的發(fā)展?jié)摿?。本文綜述了不同形貌g-C3N4以及各類g-C3N4基復(fù)合材料電催化劑的研究現(xiàn)狀。為了進(jìn)一步激發(fā)g-C3N4基電催化劑的催化活性，后續(xù)工作可以從以下幾個(gè)方面開展：

1)與MOFs材料復(fù)合。金屬-有機(jī)框架(MOFs)是一種金屬離子和有機(jī)配體配位形成的多孔晶體材料。與傳統(tǒng)多孔材料相比，MOFs材料具有更大的比表面積和更強(qiáng)的吸附能力，在電催化領(lǐng)域有非常廣闊的應(yīng)用前景，但目前對(duì)于MOFs與g-C3N4復(fù)合材料的研究還很少，后續(xù)可以圍繞此點(diǎn)開展工作。

2)利用第一性原理或密度泛函理論等手段，探究g-C3N4基復(fù)合材料電催化反應(yīng)的機(jī)理，深入研究與其他材料復(fù)合后對(duì)g-C3N4電子結(jié)構(gòu)的影響，挖掘電催化性能得到增強(qiáng)的深層原因，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)提供理論指導(dǎo)。

3)與稀土金屬氧化物復(fù)合。目前對(duì)于g-C3N4基復(fù)合材料電催化劑的研究，主要是與貴金屬、過渡金屬、非金屬碳材料的復(fù)合，還未見到與稀土金屬氧化物復(fù)合的相關(guān)報(bào)道。稀土金屬氧化物可以調(diào)節(jié)電子結(jié)構(gòu)和氧空位濃度，具有良好的儲(chǔ)氧和釋放氧能力，因此，制備g-C3N4/稀土金屬氧化物復(fù)合材料是提升氧電催化性能的有效方法之一。

目前，石墨相氮化碳的主要應(yīng)用仍以光催化居多，但是相信隨著制備技術(shù)的不斷發(fā)展與科研人員的不懈探索，g-C3N4在電催化還原領(lǐng)域會(huì)有更大的發(fā)揮空間。