摘要: 太阳能取之不尽、用之不竭，是最有希望替代传统化石能源的新能源之一。光催化技术主要以半导体材料为催化剂，可将太阳能直接转化为化学能——氢能，也可用于有机污染物的氧化降解，为新能源的开发和环境污染的控制与治理提供了一条崭新的研究思路。 ... 展开 太阳能取之不尽、用之不竭，是最有希望替代传统化石能源的新能源之一。光催化技术主要以半导体材料为催化剂，可将太阳能直接转化为化学能——氢能，也可用于有机污染物的氧化降解，为新能源的开发和环境污染的控制与治理提供了一条崭新的研究思路。 石墨相氮化碳由于其独特的电子结构、适宜的带隙宽度、优越的热稳定性化学稳定性，已广泛应用于可见光催化产氢、产氧、有机合成、一碳还原等研究。针对g-C3N4光激载流子复合率高和电子迁移率低的关键科学问题，本文依据前驱体间的带电特性和氢键作用，采用无模板法自组装形成具有六棱柱层状和多孔管状的g-C3N4，在提高催化剂比表面积的同时，又改善了催化剂的表面化学环境，有利于光生电荷的界面转移；采用嗪环-富碳环共轭的方法，增加g-C3N4体相电荷的离域化程度，以提高载流子的迁移率。利用XRD、SEM、TEM、UV-vis DRS、PL、XPS、TGA、N2等温吸附–脱附等表征手段，结合材料结构特征、光电转换特性和光催化性能的评价结果，讨论影响改性催化剂活性的关键因素，探究其催化作用增强机理。 本文的主要内容和结果如下： 1、以一定比例含量的三聚氰胺、三聚氰酸和碳酸铵为原料，通过氢键自组装形成六棱柱层状g-C3N4。该催化剂的最佳产氢速率为185μmol?h-1，是纯g-C3N4的17.6倍。碳酸根表面修饰的方法增加了催化剂边、角、棱等暴露面，提高了比表面积和表面活性位点，增加了反应物的化学吸附量，有利于提高光生载流子的界面转移速率和几率。 2、通过改变三聚氰胺水热溶液的pH值，调整三聚氰胺胶团的带电性，利用静电自组装法，由g-C3N4纳米片分级结构按一定规则排列形成多孔管状。该催化剂的最佳产氢速率达380μmol·h-1，是纯g-C3N4的36.2倍。改性催化剂活性的提高主要源于纳米分级结构上活性位点的显著增加，且由于量子尺寸效应致光催化剂带隙增大、氧化还原能力增强，提高了多孔管状g-C3N4的光致分解水性能。 3、以结构相似的2,4,6-三氨基嘧啶和三聚氰胺为原料，利用共聚、热聚形成多孔棒状富碳g-C3N4光催化剂。该催化剂的产氢速率最高可达600μmol·h-1，分别是纯样和多孔管状g-C3N4的57.1和1.6倍。体系中嗪环-富碳环的共轭作用提高了g-C3N4嗪环共轭面上电子的离域化程度，为体相光生电荷的分离和迁移提供了有效电子转移通道，抑制了g-C3N4光生载流子的复合几率。 本文利用自组装法合成了六棱柱状、多孔管状、纳米片状g-C3N4和多孔棒状富碳g-C3N4光催化剂，分别采用形貌控制及体相结构调整的方法改性g-C3N4，为建立高效聚合物半导体光催化剂的设计与合成提供实验依据和理论参考。 收起