微波法合成磷摻雜石墨相氮化碳催化劑及n-π*電子躍遷對其光催化固氮性能的影響

關元昊, 白 金, 胡紹爭, 王 菲, 趙艷鋒

（遼寧石油化工大學 石油化工學院, 遼寧 撫順 113001）

氮是所有生物不可或缺的元素. 人工固氮已成為僅次于光合作用的第二大重要化學反應. 傳統的Haber-Bosch 工藝具有能耗高、 風險大、 污染強等缺點, 已經不符合當代化工行業的標準. 因此, 尋求一種更節能、 環保、 低風險的固氮過程是當今科學界的研究熱點. 隨著化石燃料的減少, 太陽能已經成為人類能源利用的重要組成部分. 光催化反應是利用太陽能的有效途徑之一, 其核心任務是尋找到在紫外或可見光下能長期穩定工作的光催化劑.到目前為止, 已有數百種光催化劑相繼被報道. 其中, 石墨相氮化碳（g-C3N4）以其優異的化學穩定性、 獨特的電子結構、 制備成本低廉等優點吸引了越來越多的研究人員的關注［1-3］. 然而g-C3N4的帶隙相對較大, 只能吸收波長小于460 nm 的光,這使得g-C3N4的光催化性能差強人意. 為了提高g-C3N4的光催化性能, 研究人員采用了多種方法來拓展g-C3N4的光響應范圍, 包括金屬離子摻雜、非金屬離子摻雜和分子摻雜等［4-7］. 然而, 這些外來摻雜物也能作為光生電子空穴的復合中心, 降低了催化劑量子效率［8-9］.

利用N 原子上的孤對電子也能拓展催化劑的光響應范圍［10-12］. 理論計算表明,g-C3N4上有兩種可行的電子激發躍遷過程, 即π-π*和n-π*激發躍遷［13］.π-π*激發躍遷能在400 nm 處產生強烈的吸收峰, 其吸收邊界約為460 nm. 相比之下,n-π*躍遷是N 原子上的孤對電子被激發所產生的,其對應的吸收峰約為500 nm. 這種n-π*電子激……