g-C3N4降解有机污染物研究进展

(沈阳化工大学环境与安全工程学院 辽宁 沈阳 110142)

一、引言

水处理高级氧化技术(AOPs)，是近些年来新兴起的一种水处理技术，它将污水中的有机物通过化学或物理化学的方法，将其氧化成无机物或转化为可降解的低毒中间产物。因此，采用AOPs方法解决水污染问题已成为当今国内外水处理研究领域的热点课题。

石墨相氮化碳(g-C3N4)，因为良好的化学稳定性、无金属组分以及独特的能带结构被引入到光催化剂领域[1-2]。本文概述g-C3N4半导体光催化剂的反应原理以及研究的发展趋势。

图1 g-C3N4两种可能存在的化学结构

二、g-C3N4的反应原理

图2 g-C3N4的半导体能带结构图

三、g-C3N4的研究进展

g-C3N4材料存在低比表面积和光生电子-空穴对的高复合率等缺点。为了解决这些问题，可将g-C3N4与其他半导体形成异质结催化剂降低电子-空穴对的复合率。目前，已经开发了几种光催化剂，例如Fe3O4-C3N4、ZnO-C3N4、TiO2-C3N4、BiOI-C3N4和GO-g-C3N4。Yao[3]等报道通过溶剂热方法合成的ZnFe2O4/g-C3N4在甲基橙的降解实验中表现出优异的光催化效率。此外，人们可通过贵金属表面改性和有机分子表面键合两种途径进行修饰提高光催化剂的细化性能。Di[4]等以Au为例，主要研究不同负载方法对光催化性能的影响。实验结果表明，沉积沉淀法制备的样品形成紧密的Au/g-C3N4异质结可快速催化剂表面光生电子的传递，从而表现出较好的活性。g-C3N4的光催化性能与前驱体的种类、合成方法和制备过程密切相关。

前驱体的选择、制备工艺(如煅烧温度、保温时间)的改变和制备方法间的差异会导致g-C3N4的理化性质，从而影响其光催化性能。Domen课题组[5]采用熔盐法(以LiCl或“LiCl-KCl”为熔盐)制备了三嗪环结构的g-C3N4光催化剂，与传统的g-C3N4相比，表现出更好的光解水产氢、产氧性能。人们以模板法或非模板法为基础，合成了一系列具有特殊形貌的g-C3N4纳米光催化剂，如介孔形貌、纳米棒和纳米片等，有效推动了g-C3N4光催化材料的发展。

四、总结与展望

围绕传统g-C3N4光催化剂存在比表面积小、光生载流子复合严重等问题，通过对g-C3N4的组成-结构-性能调控开展了大量的研究加深了人们对g-C3N4光催化作用本质和基本规律的认识，为继续开展g-C3N4光催化的研究奠定了基础。今后，g-C3N4的光催化研究可继续采用多种手段改性g-C3N4光催化剂。例如，将共聚合法与纳米结构调控相结合，这样不仅可以优化材料的化学组成和调控其半导体能带结构，而且可以控制材料的表面形貌和纳米结构；进一步拓展g-C3N4在光催化领域，特别是在有机选择性光合成和CO2光催化还原中的应用。因此，筛选和设计合适的产氢、产氧助催化剂对g-C3N4进行表面修饰，优化化学反应动力学过程，有望实现g-C3N4的光催化全解水。