氮缺陷对GaN/g-C3N4异质结电子结构和光学性能影响的第一性原理研究

基于密度泛函理论下的第一性原理平面波超软赝势方法,研究了单层GaN、g-C₃N₄、GaN/g-C₃N₄异质结及3种氮缺陷GaN/g-C₃N₄-V_XN （X=1、2、3）异质结的稳定性、电子结构、功函数及光学性能。计算结果表明,GaN/g-C₃N₄异质结体系晶格失配率极低（0.8%）,属于完全共格。与单层g-C₃N₄相比,GaN/g-C₃N₄和GaN/g-C₃N₄-V_XN （X=1、2、3）异质结的导带向低能方向偏移,价带上移,从而导致带隙减小,且态密度均显示出轨道杂化现象。GaN/g-C₃N₄和GaN/g-C₃N₄-V_XN （X=1、2、3）异质结在界面处均形成了电势差,在其内部形成了从g-C₃N₄层指向GaN层的内置电场。GaN/g-C₃N₄-V_1N异质结的界面电势差值最大且红移现象最为明显,表明GaN/g-C₃N₄-V_1N异质结相较其他2个N缺陷异质结光学性能最好。氮缺陷的引入在不同程度上提高了GaN/g-C₃N₄异质结在红外光区域的光吸收能力。     

碳化MoS2/掺硫g-C3N4异质结的合成及其在可见光下催化降解罗丹明B机理

为了进一步提高聚合物半导体类石墨相氮化碳（g-C₃N₄）降解有机物的活性,通过简单的水热法复合得到碳化MoS₂/掺硫g-C₃N₄异质结（MoSC/S-CN）,并在可见光下研究其罗丹明B （RhB）的降解性能。结果表明,相较于纯g-C₃N₄,最优化的MoSC/S-CN样品对可见光的吸收范围得到明显拓宽,并且在100 min内对RhB的降解效率为92.5%,比纯g-C₃N₄性能提高68.83%。一系列的结构和光学性质表明,掺硫后再进一步与碳化MoS₂耦合可以协同作用于g-C₃N₄,改善g-C₃N₄的能带结构,加速光生电子空穴对的分离,有效提高光催化活性。     

单分散g-C3N4量子点修饰一维棒状BiPO4微晶的合成及其对光催化活性增强机理

利用水热法合成了一维棒状BiPO₄微晶,在此基础上采用浸渍-焙烧法进行g-C₃N₄量子点表面修饰获得新颖的g-C₃N₄/BiPO₄异质结。借助X射线衍射（XRD）、场发射扫描电镜（FE-SEM）、透射电镜（HRTEM）、能谱（EDS）、紫外-可见漫反射（UV-Vis-DRS）等测试手段对所得样品的相组成、形貌和谱学特征进行了表征。选择罗丹明B（RhB）和苯酚作为模型污染物研究了所得在可见光下的催化活性。结果表明,样品16%（w/w） g-C₃N₄/BiPO₄对RhB降解的速率常数分别是纯g-C₃N₄和BiPO₄的4.6倍和15倍。g-C₃N₄量子点与BiPO₄之间形成异质结,抑制了光生电子-空穴对的复合,从而提高了催化剂的活性。自由基捕获实验进一步表明,超氧负离子自由基（·O₂^-）是催化降解RhB和苯酚的主要活性物种。     

MoS2/g-C3N4复合材料的制备及可见光催化性能

首先在N-甲基吡咯烷酮溶液中超声剥离得到少层的MoS₂,将其与石墨相氮化碳（g-C₃N₄）复合,制得MoS₂/g-C₃N₄复合材料。采用X射线衍射（XRD）,扫描电镜（SEM）,X射线光电子能谱（XPS）,傅里叶变换红外光谱（FTIR）,Raman光谱,紫外-可见漫反射吸收光谱（DRS）和光致荧光（PL）技术对复合材料进行表征。可见光下考察MoS₂/g-C₃N₄复合材料光催化降解罗丹明B（RhB）的活性,结果表明：将少量MoS₂与g-C₃N₄复合可明显提高光催化活性,且1%（w/w）MoS₂/g-C₃N₄复合物的光催化活性最高,可能的原因是MoS₂和g-C₃N₄匹配的能带结构,增大了界面间电荷的传输,降低了光生电子-空穴的复合,进而提高了光催化活性。     

ITO/g-C3N4异质结催化剂的制备及其光解水产氢性能

采用低温热解法合成出g-C₃N₄和In₂O₃:Sn(ITO)催化剂粉体,通过静电引力作用将少量ITO纳米粉体分散在g-C₃N₄粉体颗粒表面制成ITO/g-C₃N₄异质结光催化剂。在可见光模拟系统中以乙醇为牺牲剂,检测氢气生成速率表征催化剂的光催化性能, 并借助X射线衍射(XRD)分析、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、紫外-可见光漫反射吸收光谱(UV-Vis)等对催化剂粉体进行了表征。实验结果表明, ITO附着在g-C₃N₄颗粒表面有利于光生电子的转移和光解水析氢反应。ITO/g-C₃N₄催化剂较之纯g-C₃N₄催化剂活性显著提高。当ITO附着量为4%时,析氢速率可稳定在350 μmol·g^-1·h^-1。     

Ⅱ型TiO2/g-C3N4异质结的构筑促进高效光催化U(Ⅵ)还原

采用水热法将TiO₂纳米片修饰在中空管状g-C₃N₄上制备了TiO₂/g-C₃N₄(T-CN)复合催化剂。利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)、紫外可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)和光电流响应等对其形貌、结构和光物理性能进行了表征。结果表明,TiO₂纳米片均匀地分散在中空管状g-C₃N₄表面,两者紧密结合形成异质结。TiO₂与g-C₃N₄的质量比为20%时制得的T-CN-20复合催化剂在60 min内对U (Ⅵ)的去除率为85.64%,是纯相g-C₃N₄的6.7倍。在10倍高浓度阳离子共存条件下的去除率仍大于69.8%,且具有优良的结构稳定性。对光催化产物分析可知,T-CN将U (Ⅵ)还原为难溶的U (Ⅳ)(63.68%)以去除铀,可有效解决含铀核废水中的U (Ⅵ)污染问题。根据能带理论分析,提出了复合催化剂异质结的Ⅱ型光催化机理。     

单分散g-C3N4量子点修饰一维棒状BiPO4微晶的合成及其对光催化活性增强机理

利用水热法合成了一维棒状BiPO₄微晶,在此基础上采用浸渍-被烧法进行g-C₃N₄量子点表面修饰获得新颖的g-C₃N₄/BiPO₄异质结。借助X射线衍射(XRD)、场发射扫描电镜(FE-SEM)、透射电镜(HRTEM)、能谱(EDS)、紫外-可见漫反射(UV-Vis-DRS)等测试手段对所得样品的相组成、形貌和谱学特征进行了表征。选择罗丹明B(RhB)和苯酚作为模型污染物研究了所得在可见光下的催化活性。结果表明,样品16%(w/w) g-C₃N₄/BiPO₄对RhB降解的速率常数分别是纯和的g-C₃N₄和BiPO₄的16倍和4.6倍。g-C₃N₄量子点与BiPO₄之间形成异质结,抑制了光生电子-空穴对的复合,从而提高了催化剂的活性。自由基捕获实验进一步表明,超氧负离子自由基(·O₂-)是催化降解RhB和苯酚的主要活性物种。     

g-C3N4-BiOBr复合材料制备及可见光催化性能

利用原位沉积法将BiOBr纳米片生长到g-C₃N₄表面,制得g-C₃N₄-BiOBr p-n型异质结复合光催化剂。采用X射线衍射(XRD)、红外光谱(FTIR)、场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)、透射电子显微镜(TEM)、紫外可见漫反射(UV-Vis-DRS)和荧光光谱(PL)等测试对光催化剂结构和性能进行表征。通过可见光辐照降解甲基橙水溶液检测评估复合光催化剂光催化活性。研究结果表明:复合光催化剂由BiOBr和g-C₃N₄两相组成,BiOBr纳米片在片状g-C₃N₄表面快速形核生长形成面-面复合结构。相比于纯相g-C₃N₄和BiOBr,g-C₃N₄-BiOBr复合材料具有更强可见光吸收能力,吸收带边红移。在可见光辐照100 min后,性能最佳的2:8 g-C₃N₄-BiOBr复合光催化剂光催化活性分别是纯相g-C₃N₄和BiOBr的1.8和1.2倍,经过4次循环实验后,其降解率仍达84%,说明复合结构光催化剂催化性能和稳定性增强。复合光催化剂的荧光强度显著降低,说明光生载流子复合得到了有效抑制。复合光催化剂催化性能的提高归因于p-n型异质结促进电荷有效分离、抑制电子-空穴复合和吸收光波长范围的扩展,相比单一成分材料具有更好的催化活性和稳定性。自由基捕获实验证明,可见光降解甲基橙光催化过程中的主要活性成分为空穴,并据此提出了可能的光催化机理。     

g-C3N4/CeO2异质结材料的制备及其光催化性能的研究

以三聚氰胺,硝酸铈等为原料,通过高温煅烧法制备了不同CeO₂含量的片层状的g-C₃N₄/CeO₂,通过XRD, FT-IR,XPS,UV-Vis DRS等对系列g-C₃N₄-CeO₂材料进行了表征,考察了材料在可见光下(λ≥420nm)条件下降解盐酸四环素(TC)的光催化活性。与单纯的g-C₃N₄相比,g-C₃N₄/CeO₂-30%具有更优异的光催化性能,这是由于g-C₃N₄-CeO₂间的异质结作用促进了光生电子和空穴分离,同时复合材料增大的比表面积可以提供更多的反应位点。自由基捕获实验证实了.O_2^-在催化反应过程中起到主要作用,并提出了相应的光催化机理。     

Bi2Fe4O9/g-C3N4/UiO-66三元复合材料的协同光催化作用

通过水热法合成具有协同机制的三元复合材料Bi₂Fe₄O₉/g-C₃N₄/UiO-66,研究表明三元复合光催化剂的催化活性要高于二元材料和纯材料。这主要是由于Bi₂Fe₄O₉更易于和g-C₃N₄结合形成稳定的Z-scheme异质结结构,使三元复合材料增强了可见光响应能力,提高了电子-空穴分离能力,增强了空穴和电子的氧化还原能力。     

一锅法制备Co3O4/g-C3N4复合光催化剂及其光催化性能

以三聚氰胺和六水合氯化钴为原料,一锅法制备Co_3O_4负载的多孔石墨相氮化碳(Co_3O_4/g-C_3N_4)复合光催化材料。采用X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外(FT-IR)光谱、X射线光电子能谱(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)、光致发光光谱(PL)等手段对其结构和光学特性进行表征。以盐酸四环素(TC)为目标污染物,评价了不同负载量Co_3O_4/g-C_3N_4复合光催化剂的可见光催化性能。结果表明,所制备的Co_3O_4/g-C_3N_4复合光催化剂为多孔结构,其比表面积较大,并在可见光区域具有显著的吸收。利用原位生成的Co_3O_4纳米粒子在氮化碳表面形成异质结构,可有效转移光生载流子,降低光生电子-空穴的再结合率,从而提高光催化活性。并且存在最佳Co_3O_4复合量,当六水合氯化钴加入量为三聚氰胺的8%(w/w)时,所制备的复合光催化剂CoCN-8具有最佳的光催化性能。在可见光的照射下,60 min内可降解85%的TC,而同样条件下,纯g-C_3N_4仅降解23%的TC。     

凹凸棒石/g-C3N4-AgFeO2复合材料制备及其光催化性能

以凹凸棒石(简称凹土,ATP)为基体,通过原位化学法一步直接合成g-C_3N_4薄层材料,并将其有效固载于凹土表面(ATP/gC_3N_4),再通过原位沉淀法引入不同比例AgFeO_2纳米颗粒,构筑系列兼具磁分离特性和高效光催化活性的ATP/g-C_3N_4-AgFeO_2-Y复合光催化剂(Y=wATP/g-C_3N_4/(wATP/g-C_3N_4+wAg FeO_2)×100%,表示ATP/g-C_3N_4在ATP/g-C_3N_4-AgFeO_2复合材料中所占的质量百分数)。采用XRD、SEM、BET、UV-Vis、PL和ICP表征其结构和物化性能,以酸性红G(ARG)为目标降解物,研究其光催化性能。研究发现:通过形成Si-O-C键,g-C_3N_4薄层被均匀固定在凹土表面;AgFeO_2纳米颗粒均匀沉积于ATP/g-C_3N_4表面并形成Z型异质结,ATP/gC_3N_4-AgFeO_2-Y具有比ATP/g-C_3N_4和AgFeO_2更优异的可见光光催化性能,且随着ATP/g-C_3N_4含量的增大呈先升高而后下降的趋势;当Y=57%时复合材料的性能最佳,ATP/g-C_3N_4-AgFeO_2-57%对20 mg·L-1酸性红G的降解率可达97.4%,循环4次使用后,降解率仍保持94.2%。通过自由基捕获实验研究了光催化反应机理,发现·O2-是光催化过程的主要活性物种。     

石墨相氮化碳/二氧化锡复合材料的制备及光催化性能

采用热聚合法和水热法相结合的方法制备了g-C_3N_4/SnO_2复合光催化剂。利用XRD、SEM、TEM、FT-IR和UV-Vis DRS等多种测试手段对所得样品的物相结构、微观形貌和吸光特性等进行了表征。结果表明,异质结构复合光催化剂的最大光吸收边位置相对纯相SnO_2发生了明显的红移,并且SnO_2颗粒均匀分布于g-C_3N_4表面,其中最优组分(50%-g-C_3N_4/SnO_2)光催化降解染料罗丹明B(RhB)的效率达到了纯相g-C_3N_4的3.78倍。     

Ag/Ag3PO4/g-C3N4三元复合光催化剂的制备及其可见光驱动下的光催化活性增强

报道了一种新型Ag/Ag₃PO₄/g-C₃N₄三元复合光催化剂的制备及其半导体界面处的快速载流子分离所引起的光催化活性的显著增强效应。通过X射线衍射,扫描电子显微镜,紫外-可见吸收光谱以及光致发光光谱等就其晶体结构、形貌、组分、光学吸收以及载流子的快速分离行为进行了表征与分析。以罗丹明B作为模型化合物分子,研究发现,所制备的Ag/Ag₃PO₄/g-C₃N₄三元复合光催化剂在可见光照射下表现出比Ag₃PO₄以及Ag₃PO₄/g-C₃N₄二元催化剂更为优异的光催化活性。研究认为,Ag₃PO₄表面尺寸约为40 nm的Ag纳米粒子在可见光下受激所产生的等离子表面共振效应以及Ag₃PO₄与g-C₃N₄界面处所形成的类似异质结结构对所制备的Ag/Ag₃PO₄/g-C₃N₄三元复合光催化剂光催化活性的显著增强起到重要作用。     

中空管状g-C3N4/Ag3PO4复合催化剂的制备及其可见光催化性能

采用化学沉淀法制备中空管状 g-C₃N₄/Ag₃PO₄复合催化剂。通过 X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、紫外可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)和荧光光谱对其结构、形貌和光学性能进行了表征。结果表明：Ag₃PO₄纳米颗粒均匀地分散在中空管状g-C₃N₄表面,两者紧密结合形成异质结。研究复合催化剂在可见光照射下降解盐酸四环素(TC)的光催化活性。结果显示：复合催化剂在80 min内对TC的降解率为98%,其降解反应速率常数是纯相Ag₃PO₄的3倍。经过5次循环实验后复合催化剂对于TC的降解率仍保持87%,具有优良的循环稳定性。捕获实验表明空穴(h⁺)和超氧负离子(·O₂^ˉ)是光催化反应过程中的主要活性物种。根据能带理论,提出了复合催化剂异质结的Z型光催化机理。     

g-C3N4碳位掺杂电学及光学性质的分析

使用第一性原理研究了C位掺杂的g-C₃N₄的电学性质和光学性质,掺杂原子为B、P、S. g-C₃N₄有C1位和C2 位两种对称位碳原子,其中在C1 位上的掺杂易于C2 位,掺杂体系也较C2 位稳定. 相比于磷和硫在g-C₃N₄上的掺杂,硼掺杂最易于进行. 掺杂后体系的晶体结构之间差别较大,这与掺杂原子的大小以及电负性有关. 由轨道布居分布可知,掺杂后的硼、磷、硫原子价电子发生了变化,表明掺杂原子发生了杂化,与相邻原子以强的共价键相连. 掺杂原子与被取代的碳原子之间的价电子差异导致了能带的增加. 在原来的体系中,掺杂后的体系出现了一条新的能带,因此导致实际带隙下降,表明了掺杂后的体系导电性能增强. 对纯g-C₃N₄及掺杂g-C₃N₄的光学性质分析表明,g-C₃N₄的光学吸收主要在紫外光区,掺杂磷和硫后对g-C₃N₄的光吸收波长范围无改变,掺杂硼后的g-C₃N₄光吸收不再局限于紫外光区,而且延伸至可见光区和红外光区,并在红外光区有很强的吸收,表明g-C₃N₄掺杂硼后能大大地提高光催化效率. 电子能量损失光谱和光导率谱以及介电常数都佐证了上述观点.