摘要
石墨相氮化碳（g-C3N4）是一种具有层状结构的非金属有机聚合物半导体材料，由于其合成简单、原料丰富、具有适宜的能带结构和可见光吸收、良好的化学稳定性等优点，被广泛地用做光解水制氢及还原CO2的催化剂。但是g-C3N4作为一种有机半导体，存在电子传输速率较低、对可见光的吸收较弱等问题，且由于其层状结构之间容易发生堆积，导致g-C3N4的比表面积小，催化活性位点少等问题使得g-C3N4光催化剂的光生载流子容易复合，严重制约了g-C3N4光催化性能的提升。 制备基于g-C3N4的纳米材料是提升其催化性能的有效途径。g-C3N4纳米片由于具有较大的比表面积，较多的活性位点和的快速的电子-空穴分离能力而引起了研究者的广泛关注。热氧化剥离是制备g-C3N4纳米片的有效方法，但是得到的纳米片具有较多的缺陷，影响了其催化性能的提升。因此，探索原位合成g-C3N4纳米片的方法对提升其催化性能具有重要的意义。 针对以上问题，我们设计了如下两部分研究内容： 1.超薄g-C3N4纳米片的原位制备及其光催化制氢应用。在本章中，我们通过简单的调节物理球磨法的研磨时间来调节g-C3N4的前驱体尿素的颗粒大小，以此为原料原位合成了形貌规整的超薄g-C3N4纳米片，我们通过多种手段对其进行表征，并对其生长机理进行了初步研究。条件实验表明，前驱体尿素的颗粒大小是纳米片合成的关键，只有合适的球磨时间得到的尿素颗粒作为前驱体才能烧结得到g-C3N4纳米片。SEM和TEM表明采用该方法制备得到的纳米片形貌规整且均一，显示了典型的片状结构。X射线衍射（XRD）、傅里叶-变换红外光谱（FT-IR）、氮气吸脱附实验、荧光光谱（PL）及X射线光电子能谱（XPS）等测试表明g-C3N4纳米片的结构和光化学性质相比于大块的g-C3N4发生明显变化。紫外-可见光吸收光谱（UV-Vis）证明g-C3N4纳米片相比原始g-C3N4的吸收光谱范围有了明显的红移和拓宽。光电流测试表明g-C3N4纳米片的电子-空穴分离效率有了显著的提高。我们通过可见光催化水分解产氢测试对其催化性能进行了研究，结果表明超薄g-C3N4纳米片的光催化产氢性能相对于同样条件下原始尿素制备得到的g-C3N4提升了3倍，比传统方法制备的块状g-C3N4提升了接近80倍。该研究表明通过球磨法调节前驱体尺寸作为前驱体原位制备二维超薄g-C3N4纳米片是一种提高光催化性能的很简单有效的方法。 2.超薄g-C3N4纳米片@Co2+的制备及其可见光催化CO2还原性能研究。在第一部分实验基础上，我们将钴离子（Co2+）作为助催化活性位点通过配位方式引入g-C3N4纳米片,制备得到了g-C3N4纳米片@Co2+，并对其光催化CO2还原性质进行了研究。SEM和TEM测试表明Co2+离子配位过程没有改变g-C3N4纳米片的形貌，相应的Mapping测试证明助催化剂Co2+成功地与纳米片复合，且均匀分布在纳米片表面；X射线衍射（XRD）测试表明Co2+离子配位没有改变纳米片的内部结构；傅里叶变换-红外光谱（FT-IR）测试表明Co2+是通过配位方式与纳米片进行了复合。我们对其光催化CO2还原性能进行了测试，结果表明g-C3N4纳米片@Co2+催化剂可以将CO2还原为CO，且催化性能是同样条件下得到的原始大块g-C3N4@Co2+催化剂的2倍。遮光/避光实验说明还原的CO来源于催化反应，TEA配位实验说明活性中心是和TEA配位在g-C3N4纳米片上的Co2+的而不是体系中游离的Co2+，该实验结果表明我们制备的超薄g-C3N4纳米片@Co2+催化剂，具有优异的光催化还原CO2性能，进一步的证明了通过前驱体尺寸控制原位制备得到的超薄g-C3N4纳米片的优异的光催化活性。
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