g-C3N4降解有機(jī)污染物研究進(jìn)展

(沈陽(yáng)化工大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院 遼寧 沈陽(yáng) 110142)

一、引言

水處理高級(jí)氧化技術(shù)(AOPs)，是近些年來(lái)新興起的一種水處理技術(shù)，它將污水中的有機(jī)物通過(guò)化學(xué)或物理化學(xué)的方法，將其氧化成無(wú)機(jī)物或轉(zhuǎn)化為可降解的低毒中間產(chǎn)物。因此，采用AOPs方法解決水污染問(wèn)題已成為當(dāng)今國(guó)內(nèi)外水處理研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)課題。

石墨相氮化碳(g-C3N4)，因?yàn)榱己玫幕瘜W(xué)穩(wěn)定性、無(wú)金屬組分以及獨(dú)特的能帶結(jié)構(gòu)被引入到光催化劑領(lǐng)域[1-2]。本文概述g-C3N4半導(dǎo)體光催化劑的反應(yīng)原理以及研究的發(fā)展趨勢(shì)。

圖1 g-C3N4兩種可能存在的化學(xué)結(jié)構(gòu)

二、g-C3N4的反應(yīng)原理

圖2 g-C3N4的半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)圖

三、g-C3N4的研究進(jìn)展

g-C3N4材料存在低比表面積和光生電子-空穴對(duì)的高復(fù)合率等缺點(diǎn)。為了解決這些問(wèn)題，可將g-C3N4與其他半導(dǎo)體形成異質(zhì)結(jié)催化劑降低電子-空穴對(duì)的復(fù)合率。目前，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了幾種光催化劑，例如Fe3O4-C3N4、ZnO-C3N4、TiO2-C3N4、BiOI-C3N4和GO-g-C3N4。Yao[3]等報(bào)道通過(guò)溶劑熱方法合成的ZnFe2O4/g-C3N4在甲基橙的降解實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出優(yōu)異的光催化效率。此外，人們可通過(guò)貴金屬表面改性和有機(jī)分子表面鍵合兩種途徑進(jìn)行修飾提高光催化劑的細(xì)化性能。Di[4]等以Au為例，主要研究不同負(fù)載方法對(duì)光催化性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，沉積沉淀法制備的樣品形成緊密的Au/g-C3N4異質(zhì)結(jié)可快速催化劑表面光生電子的傳遞，從而表現(xiàn)出較好的活性。g-C3N4的光催化性能與前驅(qū)體的種類(lèi)、合成方法和制備過(guò)程密切相關(guān)。

前驅(qū)體的選擇、制備工藝(如煅燒溫度、保溫時(shí)間)的改變和制備方法間的差異會(huì)導(dǎo)致g-C3N4的理化性質(zhì)，從而影響其光催化性能。Domen課題組[5]采用熔鹽法(以L(fǎng)iCl或“LiCl-KCl”為熔鹽)制備了三嗪環(huán)結(jié)構(gòu)的g-C3N4光催化劑，與傳統(tǒng)的g-C3N4相比，表現(xiàn)出更好的光解水產(chǎn)氫、產(chǎn)氧性能。人們以模板法或非模板法為基礎(chǔ)，合成了一系列具有特殊形貌的g-C3N4納米光催化劑，如介孔形貌、納米棒和納米片等，有效推動(dòng)了g-C3N4光催化材料的發(fā)展。

四、總結(jié)與展望

圍繞傳統(tǒng)g-C3N4光催化劑存在比表面積小、光生載流子復(fù)合嚴(yán)重等問(wèn)題，通過(guò)對(duì)g-C3N4的組成-結(jié)構(gòu)-性能調(diào)控開(kāi)展了大量的研究加深了人們對(duì)g-C3N4光催化作用本質(zhì)和基本規(guī)律的認(rèn)識(shí)，為繼續(xù)開(kāi)展g-C3N4光催化的研究奠定了基礎(chǔ)。今后，g-C3N4的光催化研究可繼續(xù)采用多種手段改性g-C3N4光催化劑。例如，將共聚合法與納米結(jié)構(gòu)調(diào)控相結(jié)合，這樣不僅可以?xún)?yōu)化材料的化學(xué)組成和調(diào)控其半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)，而且可以控制材料的表面形貌和納米結(jié)構(gòu)；進(jìn)一步拓展g-C3N4在光催化領(lǐng)域，特別是在有機(jī)選擇性光合成和CO2光催化還原中的應(yīng)用。因此，篩選和設(shè)計(jì)合適的產(chǎn)氫、產(chǎn)氧助催化劑對(duì)g-C3N4進(jìn)行表面修飾，優(yōu)化化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程，有望實(shí)現(xiàn)g-C3N4的光催化全解水。