CuS/ZnS/s-g-C3N4异质结分级结构的构筑、生长机理及光催化性能研究

Semiconductor heterojunction hierarchical nanostructure materials with the coupling and synergistic effects of the unique structure of multi-level, multi-dimension, and multi-components, have a very wide range of applications. In this project, the excellent visible catalyst-CuS/ZnS/s-g-C3N4 with hierarchical structure is designed by using copper ore and zinc ore with the rich resources, and s-g-C3N4 carbon materials. A series of CuS/ZnS/s-g-C3N4 heterojunction with different morphologies and different sizes hierarchical nanostructure will be prepared by solution synthesis in situ technology. The assembly process and growth mechanism and structure-effect relationship of heterojunction hierarchical nanostructure under different conditions will be explored in this project. On this basis, the dynamic regulation principles of heterojunction hierarchical nanostructure in the preparation process will be proposed, which can be used for guiding the design of multi-component heterojunction hierarchical nanostructure materials. The preparation technology will be developed for the multi-component semiconductor heterojunction hierarchical nanostructure materials with proprietary,which will enrich the synthesis theory of multi-component heterojunction photocatalyst nanomaterials, and provide new ideas for multi-component heterojunction photocatalyst nanomaterials future.

半导体异质结分级结构纳米材料具有多层次、多维度、多组分的耦合和协同效应，应用前景十分广泛。本项目采用资源丰富的铜矿、锌矿，以及单层类石墨型氮化碳s-g-C3N4碳材料，设计并制备多组分CuS/ZnS/s-g-C3N4异质结分级结构的高效可见光催化剂。采用液相法原位合成技术，制备一系列CuS/ZnS/s-g-C3N4异质结分级结构；改变制备条件，调控其形貌和尺寸；研究不同条件下异质结的分级结构组装过程与生长机理，探讨异质结的分级结构与光催化性能的构效关系。在此基础上，提出异质结分级结构制备过程的结构动态调控原则，用于指导多组分半导体异质结分级结构的设计，并提出具有自主知识产权的多组分异质结分级结构材料的制备技术。本项目的实施有助于丰富多组分异质结光催化纳米材料合成理论，为未来多组分异质结光催化纳米材料提供新的思路。

类石墨相氮化碳 (g-C3N4) 是一种二维 (2D) 层状非金属光催化材料，具有较好的可见光响应和良好的稳定性，在光催化机降解有机污染物、产氢、CO2还原等领域具有广泛的应用。然而g-C3N4在光催化领域中仍然面临禁带宽度较宽、光生载流子难以分离等问题。在g-C3N4的体系中引入半导体形成异质结是解决上述问题的有效途径之一。使用单一半导体 (如CuS或ZnS) 改性效果不如复合改性，因此，我们采用CuS/ZnS联合改性g-C3N4，通过优化微波、水热，沉淀等合成工艺参数，研究CuS，ZnS形貌改变对三元异质结催化性质的影响。结果表明，ZnS形貌 (零维(0D)纳米颗粒、一维(1D)纳米棒、三维(3D)空心球) 影响甚微，CuS的形貌 (0D纳米颗粒、1D纳米棒、2D纳米片) 影响较大，其光电催化活性的构效关系为：2D > 1D > 0D。所构建的三元异质结中，超薄g-C3N4/ZnS纳米片/CuS纳米片，即2D/2D/2D三元异质结，界面结合好，光生载流子的空间迁移距离短，有利于载流子的分离，且具有高的比表面积，活性位点的暴露多，催化剂的光/电催化活性显著增强，说明三元异质结的光生载流子的有效分布、活性位点暴露，可通过控制复合组分的形貌和多组分的耦合-协同效应来实现。另外，构建了一系列基于g-C3N4异质结的光/电传感器，成功地应用于微量环境激素、生物小分子、染料的检测和降解。主要成果如下：.(1) 提出了一种基于2D/2D g-C3N4/CuO异质结的高灵敏、高选择性的多巴胺的电化学传感器。.(2) 构建了一种基于毛细血管状CuO/g-C3N4纳米复合物的高效光催化剂。.(3) 提出了一种基于g-C3N4/Ag复合物的高效稳定的表面拉曼增强散射(SERS)传感器。.(4) 提出了一种基于g-C3N4/Co3O4异质结的环境激素的电化学传感器。.(5) 提出了一种基于超薄g-C3N4/Ag纳米复合物的L-酪氨酸的电化学传感器。.本项目还取得了多项专利技术，这些成果有助于多组分异质结光催化材料的合成理论发展，拓宽了g-C3N4异质结在SERS、环境激素和生物传感等领域的应用。