CdS-C3N4复合物的制备及其光催化降解有机污染物的研究(2)
氮化碳的5种可能结构中，石墨相氮化碳被认为是室温下最稳定的相，没有毒性而且具有催化活性。目前，学者们已经能够合成石墨相氮化碳。石墨型氮化碳具有跟石墨差不多的层状结构（层间距d=0.326nm），它的结构单元一直存在两种争议（如图1），但一般认为tri-s-triazine是其的基本单元[6]。
图 1 g-C3N4的两种可能结构[7]
g-C3N4由于具有层状结构，因此它有高的热稳定性，化学性质不活泼的特点。它不溶于水、乙醇、丙酮等溶剂，与常见的强酸强碱也不起反应[8]。g-C3N4具有较高的光催化活性，而且，g-C3N4的带隙能以及价带和导带的位置都被认为是光解水的理想状态，弥补了TiO2带隙能过大的缺陷。
此外，科学家们一直尝试着通过多种方法去合成氮化碳晶体。其主要方法有固相反应法、气相沉积法、热聚合法等[9]。近年来，g-C3N4主要采用热聚合法来制备。一般采用含有三嗪结构的化合物，如三聚氰胺、三氯聚氰等作为原材料，经历复杂的自身缩聚而制成[10]。在温度大于520℃时，开始有g-C3N4的出现，但温度高于600℃时物质不稳定。因此反应温度应控制在550～600℃之间[11]。此外，人们还在具有液态特性的原材料中加入各种硬模板剂[12]，从而可得到各种纳米结构的g-C3N4。
随着研究的深入，人们发现g-C3N4在可见光的照射下可以光解水得到氢气。研究者们最初将g-C3N4用于催化制氢时，效果并不理想。后来，人们以氰胺为原料，运用SBA-15模板，合成出一种有序的纳米孔结构，使得产氢量提高了四倍[13]。这是因为，氢气的产量与催化剂的比表面积和结构有关[14]。研究表明，煅烧三聚氰胺得到的g-C3N4，能够在可见光照射下降解甲基橙溶液[15]，尤其是在520℃的温度条件下，降解速率最佳。随后，研究还发现煅烧尿素可以得到一种新型的g-C3N4。该样品具有层状的纳米多孔结构，在降解罗丹明溶液时表现出较高的催化活性。此外，石墨相氮化碳可以用于催化许多有机反应，如酯合成反应、苯酚加氢、苯的氧化、Friedel-Crafts酰基化反应等[16]。
当然，g-C3N4作为一种聚合物材料，本身还存在一些缺陷。例如比表面积小、光生电子-空穴较容易、量子效率低等[17]。因此，为了进一步提高g-C3N4的催化活性，研究者们运用了许多方法，下面简单介绍非金属掺杂、金属掺杂和半导体复合这三种。
非金属掺杂：在g-C3N4的骨架中掺入S、F、B、P等非金属元素。这些元素可以取代g-C3N4结构中的N、C、H元素，改变g-C3N4的价带结构和光电特性[18]，从而明显改善其可见光催化活性。因为不同的非金属元素具有不同的半径和吸电子能力，所以不同元素的掺杂会不同程度地改变g-C3N4的特性[19]，这也为g-C3N4的改进提供了多种可能，需要人们更加深入地研究。
金属掺杂：通过在g-C3N4骨架中掺入少量的金属离子，延长光生电子和空穴复合的时间，从而改善其催化活性。例如，Fe掺杂g-C3N4形成Fe-N键[20]，使g-C3N4在降解罗丹明溶液时表现出较高的光催化活性。
半导体复合：一般是由两种具有高低带隙的光催化剂组成的复合材料。两者之间发生电子转移，提高电子空穴对分离效率[21]，从而提高光催化效率。
上述的制备方法中，g-C3N4通过前驱体自身缩聚的热解法制备而成。该样品的结构特征与理论接近[22]，而且在光解水和光降解有机污染物方面，具有较好的催化活性。但是制备方法比较复杂，操作较麻烦，且初始原料不易得到。本篇论文采用的是一种简便的溶液燃烧反应来制备g-C3N4。主要的研究思路有以下三点：