自18世纪工业革命至今,随着科技水平的迅速提高,全球环境污染和能源短缺问题日益突出,严重限制了人类社会的可持续发展。针对以上问题,相比于传统化学法,光催化技术具有经济、清洁、安全和可再生等优点,受到科学界的广泛关注。然而,许多常见的光催化剂由于本身有害环境,光响应范围小以及化学稳定性差等原因,并不适于实际应用。石墨相氮化碳(g-C3N4)作为一种无金属元素组成的光催化剂,因其廉价易得、物理化学稳定性良好、能带结构适宜和易于改性等优点,迅速成为该领域的热门材料。然而,传统方法制备的g-C3N4比表面积小,光生载流子极易复合,量子效率低,极大限制其光催化性能。因此,近年来研究者们致力于设计各类纳米结构、构筑异质结、掺杂各种元素,以提高其光催化性能。但是结合实际应用要求,经上述改性后的g-C3N4依旧存在诸多问题,比如在有机相中的分散性差,不利于催化有机反应;缺少固氮反应的活性位点,固氮性能难以提升;缺少合适的载体,粉末难以回收利用;传统改性方法工艺复杂、成本较高,且改性材料稳定性差等。本学位论文的主要内容是基于石墨相氮化碳纳米片(CNNS)进行功能化改性,以有效地解决上述问题。CNNS通过碱处理法剥离g-C3N4制得,厚度极薄,表面带有大量氨基和羟基,具有良好的亲水性。本课题组通过共价接枝反应,将4-三氟甲基苄基(TFMB)接至CNNS表面。其疏水性和吸电子性质可以优化CNNS的两亲性及能带结构,利于催化有机反应。同时,接枝一些螯合物也可以将金属离子引入催化体系,起到活性位点的作用,最终实现了高效的固氮性能。此外,研究发现CNNS本身的亲水性也具有极大的应用潜力,通过氢键作用,将CNNS稳定负载于纺织品表面,实现了纺织品的自清洁和甲醛气体的高效降解。相关工作如下:1.碱剥离法制备的CNNS表面带有大量的氨基和羟基,不仅提升了亲水性,还易于改性。本课题组通过氨基与苄溴基团的亲核取代反应,将TFMB共价接枝到CNNS表面,成功合成了 4-三氟甲基苄基修饰的氮化碳纳米片(TFMB-CNNS)。TFMB基团具有很强的疏水性,在亲水性羟基的共同作用下,使TFMB-CNNS具有两亲性,能够稳定存在于油/水两相的分界面。这种特殊的分散性质使TFMB-CNNS可以驱动相界催化反应。本课题组设计了光催化还原有机相中的硝基苯,转化为苯胺后在水相中纯化富集的实验以实现TFMB-CNNS的应用价值。TFMB-CNNS展现出高效且可重复的光催化还原硝基苯的性能,并且具有普适性。此外,通过实验和计算推导了 TFMB-CNNS相界光催化的机理,结果表明TFMB基团的吸电子能力可以促进CNNS光生载流子的分离,进而提高其光催化性能。2.在共价接枝反应改性CNNS初具成效后,本课题组尝试接枝乙二胺四乙酸(EDTA)基团,在CNNS表面引入过渡金属螯合物,作为固氮反应的活性位点。实验通过氨基和羧基的脱水缩合反应,可将EDTA基团稳定接枝到CNNS表面,再利用EDTA单元的配位能力,制备出含大量且高分散铁活性位点的氮化碳纳米片(Fe-EDTA-CNNS)。结合理论计算可知,铁螯合位点可作为固氮反应的活性位点,能够有效地吸附、活化氮气分子,大大降低反应能垒。实验证明Fe-EDTA-CNNS具有优异且稳定的光催化固氮性能。同时,相比于静电吸附的铁离子,螯合作用更为稳定。并且,螯合单元具有一定的吸电子能力,可抑制CNNS内部光生载流子的复合,提高其光催化性能。此外,通过模拟和实验验证了析氢反应作为竞争反应受到抑制。这种改性方法可针对某一反应,通过创造新的活性位点来提升光催化性能,给光催化剂的功能化提供了新的改性思路。3.通过基于氨基的共价接枝反应实现了 CNNS的功能化改性后,研究发现CNNS表面的氨基和羟基是功能化改性的关键点。结合实际生产生活所需,本课题组尝试给CNNS寻找合适的载体,一方面通过载体提高CNNS的比表面积,提升其光利用率,解决粉体CNNS难以回收的问题;另一方面,载体经过CNNS修饰后可充分发挥其光催化性能,将这项绿色环保的技术应用于实际。实验表明,组分为纤维素基质的棉纺织品表面带有大量羟基,可与CNNS表面的羟基和氨基形成氢键。通过简单的喷涂法将CNNS胶体分散至棉纺织品表面,烘干后经多次洗涤,CNNS仍可稳定负载,负载量约为1g/m2。负载CNNS的棉纺织品具有良好的光催化自清洁性能,可降解多种染料及生活中常见的污渍。此外,棉纺织品的大比表面积也改善了 CNNS光催化降解甲醛气体的性能。即使在光强度较低的可见光灯下,其对室内甲醛气体的降解效果也非常可观。这项工作实现了光催化技术从研究向应用的扩展。