以石墨相氮化碳为基础的聚合物光催化剂(4)

以石墨相氮化碳为基础的聚合物光催化剂

摘要

半导体光催化是一种很吸引大家研究兴趣的方法来解决全世界范围内的能源紧缺和环境污染问题。自从石墨相C3N4在2009年被用于可见光光催化分解水以来，C3N4光催化已经成为一个非常热门的研究话题。这篇综述总结了C3N4设计制备方面的一些研究进展，也对其在能源和环境方面的应用做了一个全面的概述。

Polymeric Photocatalysts Based on Graphitic Carbon Nitride Semiconductor-based photocatalysis is considered to be an attractive way for solving the worldwide energy shortage and environmental pollution issues. Since the pioneering work in 2009 on graphitic carbon nitride (g-C 3 N 4 ) for visible-light photocatalytic water splitting, g-C 3 N 4 -based photocatalysis has become a very hot research topic. This review summarizes the recent progress regarding the design and preparation of g-C 3 N 4 -based photocatalysts, including the fabrication and nanostructure design of pristine g-C 3 N 4 , bandgap engineering through atomic-level doping and molecular-level modifi cation, and the preparation of g-C 3 N 4 -based semiconductor composites. Also, the photocatalytic applications of g-C 3 N 4 -based photocatalysts in the fi elds of water splitting, CO 2 reduction, pollutant degradation, organic syntheses, and bacterial disinfection are reviewed, with emphasis on photocatalysis promoted by carbon materials, non-noble-metal cocatalysts, and

Z-scheme heterojunctions. Finally, the concluding remarks are presented and some perspectives regarding the future development of g-C 3 N 4 -based photocatalysts are highlighted.

以石墨相氮化碳为基础的聚合物光催化剂

1.引言

日益严重的能源短缺和环境危机问题正成为人类社会长期发展的严重威胁。各国政府和科学家正在努力将绿色技术作为解决这些问题的可持续途径。在潜在的解决方案中，半导体光催化技术因其具有经济性、可再生性、清洁性和安全性而具有不可估量的优越性，它只需要取之不尽用之不竭的太阳光作为驱动力，合适的半导体作为光催化剂进行各种催化反应，如水分解制氢、CO 2还原为烃类燃料、有机污染物分解矿化、选择性有机合成、甚至细菌消毒等。

半导体光催化的研究开始于1972年由Fujishima和Honda在TiO2电极的光电化学分解水。四年后，Carey 等人研究TiO2 光催化剂对有机污染物的光催化降解。之后在1979年井上等人报道了CO 2在TiO

2

, ZnO, CdS, GaP以及 SiC 半导体粉末的悬浮液中的光催化还原。从那时起，关于高效稳定半导体光催化剂的研究发表了大量的文章。通过这项研究，许多半导体在紫外光或可见光下被确

定为潜在的光催化剂，例如 TiO

2 ZnO SnO

2

Fe

2

O

3

BiVO

4

Cu

2

O以及 CdS等等。每

个光催化反应主要包括三个过程：光子吸收，电子–空穴对的产生和分离以及表面催化反应。因此任何光催化性能的改进都要改善这三个过程。到目前为止，研究人员已经做了许多努力开发新型可见光活性光催化剂，因为太阳光谱中的可见

光是丰富的。例如由Zou等人和Liu等人分别报道的In

1−x Ni x TaO

4

和Y

2

Ta

2

O

5

N

2

作

为新型可见光光解水制氢催化剂。Maeda等人还发现，固溶体Ga

1−x Zn x O

1−x

N x在可

见光下能分解水。另一方面，掺杂半导体（特别是二氧化钛）已被证明是一种有效的方法，以扩大其光吸收范围到可见光区域。然而，现有的光催化剂存在的一个严重缺点是载流子的快速复合而导致光催化效率很低。为了改善载流子的分离，一种选择是开发合适的半导体复合材料，以确保电子和空穴通过导带（CB）和价带（VB）偏移相对迁移。另一个选择是助催化剂在催化剂表面的固定化，这不仅可以提高电荷分离通过捕获电子或空穴，也有利于表面催化反应的活化能降低。在这方面，贵金属通常作为高效助催化剂。例如，严等人开发的PT–PDS /CdS 复合光催化剂，在420 nm具有93%的量子效率。最近，非贵金属助催化剂也进