石墨相氮化碳的制備及應用進展

許杞祥

摘要：近些年來，非金屬半導體光催化劑的開發成為全球光催化研究的又一熱點，其中石墨相氮化碳（g-C₃N₄）備受國內外學者的關注。近年來，國內外學者通過溶劑熱法、固相合成法以及熱聚合法等已經成功地合成出具有不同形貌或者接近于理想結構的氮化碳并應用于光催化領域。

關鍵詞：石墨型氮化碳;制備;應用

作為利用太陽能新型技術之一的半導體光催化技術在治理環境污染以及解決能源危機方面展現出應用潛力^[1]。石墨型氮化碳具有適中的帶隙寬度、獨特的電子性質以及良好的化學穩定性，作為可見光催化劑在光解水制氫、有機合成及降解污染物等方面顯示出優越性^[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，它具有反應體系均勻性好、

條件溫和、操作過程容易控制和流動性好等優點。例如，福州大學王心晨課題組

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

1.2固相合成法

固相反應法利用具有三嗪結構的化合物通過固相混合，在高溫高壓下實現碳氮鍵的斷裂與重組，最終促進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 下發生固態反應，合成出晶態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、制備周期短等優點。少數單體，在高溫下產生自由基進行聚合通常以含碳氮元素的小分子為前驅體，通過改變熱聚合溫度實現不同結晶度 g-C3N4的制備。

2.氮化碳在光催化中的應用

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帶及導帶位置，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，半導體光催化技術在處理環境有機污染物方面展現出極

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

2.3g-C3N4光催化 CO2的還原

利用光催化技術將 CO2轉化成碳氫化合物燃料不僅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。CO2的還原是多部反應，并且還原產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催化有機合成反應

g-C3N4聚合物基光催化劑在有機物官能團選擇性氧化轉化方面展現出潛在的應用，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.總結及展望

作為一種古老的聚合物，氮化碳（C3N4）具有密度低、穩定性好、兼容性高、耐磨性強等優點，在光催化領域有廣闊的應用。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合等問題，使其光催化性能較低，制約其在能源、環境光催化領域的應用。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研究熱點，例如非金屬摻雜、貴金屬表面沉積、半導體復合、敏化材料改性等。

參考文獻

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