維度可調的石墨氮化碳g-C3N4的制備和應用研究進展-UDP糖丨MOF丨金屬有機框架丨聚集誘導發(fā)光丨熒光標記推薦西安pg電子官方生物

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石墨相氮化碳(g-C3N4)是一種新型的非金屬半導體材料，、資源豐富等優(yōu)點受到廣泛的關注。g-C3N4在可見光范圍內具有一定的光吸收，同時還具有很好的熱穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性和光穩(wěn)定性，被廣泛應用于光催化產氫、水氧化、有機物降解、光合成以及二氧化碳還原等。g-C3N4的尺寸會影響電子的約束狀態(tài)，因此，不同尺寸的g-C3N4表現(xiàn)出不同的性質，使它們可以用于多種具有刺激響應的應用。

文章綜述了不同維度石墨氮化碳的制備和應用研究進展，**回顧了g-C3N4研究的進展，然后詳細總結了使用不同的結構工程策略制備不同維度g-C3N4的研究現(xiàn)狀，討論了現(xiàn)有方法的基本瓶頸及未來解決策略，并探討了其在能源和環(huán)境領域方面的應用。

1.二維g-C3N4

一般可以通過熱聚合法、容積熱法、固相反應法、電化學沉積法和氣相沉積法等利用含氮和碳元素的前驅體制備得到g-C3N4。其中，熱聚合法具有操作簡單和安全易控等優(yōu)點而成為一種常用的方法�？刹捎玫那膀岓w種類較多，包括單氰胺三聚氰胺、尿素和硫脲等。利用上述前驅體和熱聚合法得到的g-C3N4一般為塊狀材料。相比低維材料，塊狀半導體光催化劑不利于光生載流子的傳輸，光生載流子容易發(fā)生復合，因而其光催化活性較低。另外，塊體g-C3N4比表面積較低，一般<10 m2/g，不利于對反應底物的吸附，限制了其對污染物降解活性的提高。提高比表面積可加快表面?zhèn)髻|擴散過程，增加對反應底物吸附的活性位點數目，有利于光催化活性的提高�？赏ㄟ^微納米結構調控設計二維納米片結構優(yōu)化g-C3N4的性能。比如，Yang等通過液相超聲剝離法將塊體g-C3N4改性成2 nm厚度的二維納米片結構(圖1)，其邊緣具有更多的活性位點，比表面積獲得了較大提高，同時二維結構有較高的載流子遷移率，光催化活性比塊體g-C3N4提高了8倍以上。

圖1 g-C3N4納米片的**SEM和TEM圖

2.一維g-C3N4

一維g-C3N4長寬比高達10000，可通過納米帶卷曲而成(圖2)，有較**的光電導性和電子遷移能力。Han等通過冷凍干燥自組裝處理雙氰胺得到類海草的一維g-C3N4，由于量子限制效應導致光吸收邊發(fā)生藍移，比表面積比塊體g-C3N4高10倍，且由于具有較高的電子遷移能力，其產氫速率比塊體g-C3N4高30倍。雖然相比塊體g-C3N4，納米管狀g-C3N4光吸收邊藍移，但是其光吸收能力卻有增強。

圖2 一維g-C3N4的TEM圖

3.零維g-C3N4

氮化碳量子點(CNQDs)，即為零維g-C3N4，具有較高的比表面積，有利于對反應底物的吸附，可使光催化劑活性提高。另外，具有明顯的上轉換性能，在長波長光照射下，發(fā)射出短波長的光。Wang等通過熱化學刻蝕法獲得CNQDs，在705～862 nm的光照射下，發(fā)射出350～600 nm的藍光，有明顯的上轉換性質，且CNQD-g-C3N4復合物比體塊g-C3N4的制氫活性提高了1.87倍以上，光催化制氫活性的提高是由于CNQD受到>600 nm的光照射后，發(fā)射出400～600 nm的光被g-C3N4吸收，所以CNQD可**提高g-C3N4的可見光光催化活性。另外，將氮化碳量子點負載在紫外光催化劑上，可提高紫外光催化劑的可見光活性。Li等合成了g-C3N4 QDs/BiPO4，在可見光照射下對甲基橙的脫色率是g-C3N4的1.7倍，而單獨的BiPO4只具有紫外光活性。

4.納米球結構

中空球狀結構有內部外部之分，內外均有較大比表面積，可增加光電效應，通過載流子或活性物種的**穿梭提高表面反應，可利用硅膠作為模板獲得中空球狀氮化碳以提高活性。Sun等利用硅膠納米顆粒作為模板合成了中空g-C3N4納米球，相比塊體g-C3N4，其吸收邊發(fā)生藍移，比表面積增加，合適的殼厚度有利于載流子遷移，其產氫速率是塊體g-C3N4的25倍(圖3a)。亦可不使用模板，利用超分子聚合獲得中空球狀結構氮化碳。如Jun等利用三聚氰胺和三聚氰酸作為前驅體獲得中空球狀氮化碳，相比采用雙聚氰胺獲得的粉末氮化碳，雖然由于量子限制效應導致帶隙變寬，但其具有較強的光吸收能力，可提高載流子壽命，使其降解羅丹明B的活性提高10倍以上(圖3b)。

圖3 中空球狀結構

5.其他結構

除上述結構外，還有構造手性螺旋型結構以提高g-C3N4的研究。Zhang等利用手性介孔硅膠為模板，獲得了具有手性螺旋型石墨相氮化碳納米棒(圖4)，由于載流子的**分離和比表面積的提高，其制氫活性比體塊g-C3N4提高了6倍以上。也有研究者通過直接構造多孔結構提高g-C3N4的比表面積。比如，Shi等利用過硫酸銨作為氣泡模板劑或者鹽酸胍同時作為前驅體和氣泡模板劑制得介孔結構的g-C3N4，其比表面積分別可提高到55.00，65.08 m2/g，對羅丹明B的吸附能力和光催化降解活性均有了較大提高(圖5)。