稀土基氧化物/g-C3N4复合材料的合成与光催化性能的研究(2)
具有较强氧化还原能力，其可以广泛应用于污水处理领域如：分解有机染料等污染物、将重
金属离子还原，消毒杀菌等。
如图 1.1，由于半导体的能带是不连续的，在充满电子的低能价带和空的高能导带之间
存在禁带，而其带隙也比绝缘体小得多。不同的半导体其禁带宽度也有差异，能量大于等于
禁带宽度的光子能够激发价带上的电子越过禁带进入导带， 即在价带上产生相应的光生空穴，
在导带上产生光生电子。光生空穴有强得电子能力，光生电子有强失电子能力，在半导体水
的悬浮液中，迁移到表面的光生电子和空穴就能参与光催化的氧化还原反应。传统半导体光催化材料TiO2，具有价格低廉，无毒，化学稳定性高等突出优势。但是由
于 TiO2的禁带较宽（Eg=3.2 eV），波长在 387 nm 以下的紫外光才能被响应，在太阳光谱中，
紫外光只占太阳光能量的5%左右，而占绝大多数的可见光却未能被有效利用，限制了其在实
际生产过程中的应用。
对可见光响应光催化材料的研究目前集中于两个方面：(1)改性 TiO2，拓宽光响应范围，
从紫外区向可见区拓展，其方法主要是金属或非金属的掺杂。(2)开发新型可见光响应半导体
光催化剂材料。对 TiO2修饰改性，虽然可达到拓展其光催化活性至可见光区的要求，但其光
吸收强度普遍降低且改性自身也存在着许多缺陷，使提高光催化活性的实际效果并不理想。
因此，人们越来越重视对新型可见光响应的半导体光催化剂材料的研究和开发。类石墨碳化
氮聚合物材料作为半导体光催化剂材料因其禁带宽度较窄，可见光区光化活性较高等优势，
已逐步成为应用前景广阔的有机半导体光催化剂材料。
1.2 类石墨碳化氮聚合物(g-C3N4)材料1.2.1 g-C3N4 的发展1989年，Lui 和 Cohen[2]根据β-Si3N4的晶体结构用C 替换 Si 的位置获得β-C3N4，从理论
基础的支持下假设了β-C3N4的存在，其中β-C3N4的碳原子(C)是以 sp3杂化形式，与氮原子(N)的 sp2杂化轨道耦合。 1993 年， Jennifer L． Corkill[3]等预测了β-C3N4可能具有的一些性质例如：
热稳定性、能带较宽。1994 年，Liu 和 Wentzcovitch[4]通过分子动力学模型演绎出 C3N4可能
具有立方晶系的类闪锌矿结构和三角晶系的类石墨结构。1995年，Guo 和 Goddar[5]通过优化
计算提出了 C3N4具有的两种结构，即α-C3N4和β-C3N4。1996 年，以周期性函数为边界条件，
Teter[6]等采用共轭梯度法计算后推测C3N4可能具有 5 种结构，即α相、β相、立方相、准立方
相和类石墨相。1999 年，J．E．Lowthertl[7]对石墨型结构的 C3N4研究发现：作为软质相的一
种， 以锥形的氮桥和三嗪环组合而成的石墨型结构的C3N4在常温常压下， 可以更稳定地存在。
强度上虽然比其他晶型低，但制备方法简单，含碳富氮的前驱物如：单氰胺、三聚氰胺在温和条件下均可以进行大量的制备。
1.2.2 g-C3N4的基本性质
（1）组成结构：1834年Liebig将其命名为“melon”后，一直作为稳定性较高的碳氮同素异形
体和典型的一类聚合物。1922年，富兰克林对melon的形貌结构进行了深入的描述，证实
“melon” 并不只由一种结构组成而是由大小不同和结构不一的聚合物混合在一起的聚合衍生物[8]
。图2.1是构成g-C3N4不同结构的两种同素异形体：三嗪(左)和均三嗪(右)。两种同素异
形体的稳定性不同，原因是由于N原子周围的电子运动状态不同以及形成氮化物的成键方式各异。