介孔氮化碳类复合材料的辅助合成、结构调控及光催化性能研究

Solving energy and environmental problems is largely dependent on the performance improvements and development of catalysts. graphite-type mesoporous carbon nitride materials(mpg-C3N4) is one of important inorganic polymeric catalyst with a wide variety of potential applications. This project intends firstly to prepare stable inorganic nanoparticles modified by nitrogen- and carbon-rich organics, including silica, bimetallic alloys or core-shell structures, and one-dimensional semiconductor nanostructures, which can regulate the semiconductor structure of nitride carbon materials, and improve its catalytic performances.Solid-phase reaction and solvothermal technique will be used to heat the resulting inorganic nanoparticles, and obtain graphitic carbon nitride composite materials doped with the inorganic nanoparticles. With the aid of oxidizing by dilute acids, or reducing by reductants, mesoporous graphitic carbon nitride composites could then be obtained by corrosion or dissolution, which can make its component adjustable, structure controllable, and improve the performance of semiconductor structures. Thus a new preparative technique to mesoporous graphitic carbon nitride composites will be developed. Based on doping component and microstructure of the obtained materials, we will make great efforts to study and compare photocatalytic properties of degradation of organic pollutant, explore the corresponding relationship between the macroscopic properties of composite materials and their microstructure, hoping to establish a universal doped model for functionalized carbon nitride based materials.

能源和环境问题的解决很大程度上依赖于已有催化剂的性能改进和新催化剂的开发，介孔石墨型氮化碳（mpg-C3N4）是一种具有潜在应用前景的无机聚合物催化剂。本项目拟将首先制备富含氮碳元素有机物稳定修饰的无机纳米粒子，包括SiO2、双金属合金或核壳结构、一维半导体纳米结构等；再利用固相或溶剂热反应，对所得无机纳米粒子进行热处理，制备掺杂无机纳米粒子的石墨型氮化碳复合材料；利用稀酸或还原剂等对氮化碳复合材料进行腐蚀、溶解，还可合成介孔石墨型氮化碳复合结构，从而实现氮化碳材料的组分可调、结构可控以及半导体性能的改善，发展一种新型的石墨型有序介孔氮化碳类材料的制备技术；根据材料的掺杂组分和微观结构，研究比较mpg-C3N4及其复合材料光降解有机物的性能，探索复合材料的宏观性能与微观结构之间的对应关系，建立具有一定普遍意义的功能化氮化碳类材料的掺杂复合模型。

石墨相氮化碳（g-C3N4）及其复合材料能够吸收并利用可见光，可以表现出相应的光吸收能力、电化学和半导体性能，其合成、修饰及其功能化复合在光物理与电化学研究得到了广泛的关注，并已在新能源材料、污染处理等方面已经得到了一定的应用。.我们利用新手段（红外加热板快速制备）、新方法（铬酸洗液氧化氮化碳）合成和处理石墨相氮化碳，获得了具有一些特殊结构和性能的催化材料。红外板加热法可在无模板条件下实现氮化碳纳米棒的快速合成，并可通过调节加热功率获得具有较高裂解水产氢效率的氮化碳材料；使用铬酸溶液(K2Cr2O4/H2SO4)对传统马弗炉煅烧合成的g-C3N4块体材料进行化学氧化剥离，成功制备了水分散性良好的多孔g-C3N4纳米结构，其光催化降解有机物RhB的效率提高了61%，并可为溶液中进一步构建功能化纳米结构提供了物质准备。另外，利用[1,1'-双（二苯基膦基）二茂铁]二氯化钯对二氰二胺进行原位修饰改性，并成功制备了Fe、Pd共掺杂的g-C3N4。金属离子的引入还有效地引入了端基缺陷，增加了g-C3N4复合材料的化学反应活性，使之具有更窄的带隙宽度、更低的电荷转移电阻和更稳定的载流子，有可能成为一种更优异的光催化剂。.此外，利用数学分析手段、设计实验以及文献报道的数据，我们深入研究了g-C3N4的晶胞结构与晶胞参数，依次确认了g-C3N4的XRD衍射宽峰中存在多峰、存在的双峰的位置以及双峰的峰信息，并用实验数据直观地呈现出其在热缩聚过程中经历的晶胞陈化与双峰融合过程。确认了g-C3N4属于六方晶系，为ABA堆积方式。这些研究结果为了解g-C3N4在反应过程中的晶胞变化与原位监测g-C3N4结构参数等提供了有力的理论支持与实验证据。