【摘 要】
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石墨相氮化碳(g-C3N4),作为一种有机半导体催化剂,以其优异的物理化学稳定性,适中的带隙(约2.7 e V)和广泛的光催化应用,受到广大研究人员的青睐。然而,正是氮化碳这种优异的物理化学稳定性使其很难通过表面改性来增强其光催化性能。碱金属卤素盐的卤素阴离子很容易夺走氮化碳表面的氨基,使其具有对氮化碳表面改性的潜力。在这里,我们通过在碱金属卤素盐条件下对氮化碳进行改性,一方面调整氮化碳的晶格结构
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石墨相氮化碳(g-C3N4),作为一种有机半导体催化剂,以其优异的物理化学稳定性,适中的带隙(约2.7 e V)和广泛的光催化应用,受到广大研究人员的青睐。然而,正是氮化碳这种优异的物理化学稳定性使其很难通过表面改性来增强其光催化性能。碱金属卤素盐的卤素阴离子很容易夺走氮化碳表面的氨基,使其具有对氮化碳表面改性的潜力。在这里,我们通过在碱金属卤素盐条件下对氮化碳进行改性,一方面调整氮化碳的晶格结构,使其形成结晶化程度高的材料来促进电子转移,另一方面在未熔融条件下,碱金属盐作为模板可以提高改性氮化碳的比表面积。此外,部分碱金属盐可以与氮化碳利用配位作用引入部分碱金属离子,改变氮化碳的电子云分布,优化电荷的定向迁移。最终提高g-C3N4的光催化性能。与之前的报道不同,我们开发一种可行的方法来改善氮化碳的结晶度,使用未熔化的Cs Cl作为温和的化学剪刀来修整体相氮化碳而不是其前驱体或具有不完整结构的中间体。结果表明:具有较高π共轭且规则的聚(庚嗪酰亚胺)结构暴露于表面,其中氮化碳表面上配位的Cs+离子改变电荷分布。高规则结构可以消除缺陷位点,减少电子和空穴的重组位点,聚(庚嗪酰亚胺)结构可以极大地保留原始氮化碳的可见光吸收能力。得益于这些优异特性,所得产物表现出优异的光催化析氢活性,其比体相氮化碳高约23倍。以一系列的碱金属盐(NaI、KI、RbI、CsI、CsBr、CsCl)、体相g-C3N4和微量的去离子水为原料,在550℃氮气氛围下煅烧一定时间对氮化碳进行改性。改性后的氮化碳能够观察到晶格结构,水的引入使其表面含有更多羟基,提高材料的亲水性能。在改性过程中碱金属阳离子配位到氮化碳上,进一步影响氮化碳表面的电荷分布,从而实现其光生电子和空穴的分离。最后将其应用于光催化海水析氢,由于改性后的氮化碳表面含有大量的负电荷,使其更容易吸附海水溶液的阳离子和Na-TEOA,形成电层结构模型,同时电层结构的模型可以进一步优化材料的光学活性,提高电荷的分离,使空穴更容易与牺牲剂进行反应,最终使其析氢效果得到明显的提升。相比于体相氮化碳在去离子水中的效果,改性氮化碳在海水的析氢效果提升高达257.7倍。同时,析氢的稳定性也得到明显提升。以氯化钠、碘化钾、体相g-C3N4和少量的去离子水为原料,在550℃氮气氛围下煅烧两个小时对氮化碳进行改性。改性后的氮化碳能够看到晶格结构,水的引入使其表面含有更多羟基,使其在水中可以分散为胶体。在改性过程中钠、钾阳离子配位到氮化碳上,进一步影响氮化碳表面的电荷分布,从而实现其光生电子和空穴的分离,同时氮化碳表面产生大量负电荷。最后将其应用到光催化降解罗丹明B,钠和钾的协同效应使其在10 min内就能将罗丹明B降解掉88%。同时,也对其降解机理进行进一步探究。
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