g-C3N4/TiO2異質(zhì)結(jié)的制備方法
2025-08-06
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g-C3N4/TiO2異質(zhì)結(jié)是由石墨相氮化碳（g-C3N4）和二氧化鈦（TiO2）組成的復(fù)合材料，通過構(gòu)建異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)顯著提升光催化性能，在能源轉(zhuǎn)換和環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊應(yīng)用前景。
一、材料特性與優(yōu)勢(shì)
g-C3N4的特性
結(jié)構(gòu)：二維層狀材料，由三嗪環(huán)或3-s-三嗪環(huán)通過共價(jià)鍵連接形成，具有高度離域的π共軛體系。
光學(xué)性質(zhì)：禁帶寬度約2.7 eV，可吸收波長(zhǎng)小于475 nm的藍(lán)紫光，實(shí)現(xiàn)可見光催化。
化學(xué)穩(wěn)定性：耐高溫（>600℃）、耐強(qiáng)酸強(qiáng)堿，且無毒無害，對(duì)環(huán)境友好。
電子結(jié)構(gòu)：N的pz軌道構(gòu)成最高占據(jù)分子軌道（HOMO），C的pz軌道構(gòu)成較低未占據(jù)分子軌道（LUMO），滿足光解水產(chǎn)氫產(chǎn)氧的熱力學(xué)要求。
TiO2的特性
結(jié)構(gòu)：常用銳鈦礦型，具有高催化活性和穩(wěn)定性，但禁帶寬度約3.2 eV，僅能吸收紫外光（占太陽光譜的5%以下）。
缺陷：光生電子-空穴對(duì)易復(fù)合，導(dǎo)致量子效率低。
g-C3N4/TiO2異質(zhì)結(jié)的優(yōu)勢(shì)
光譜響應(yīng)擴(kuò)展：g-C3N4的可見光吸收能力與TiO2的紫外光響應(yīng)互補(bǔ)，拓寬了催化劑的光譜響應(yīng)范圍。
載流子分離增強(qiáng)：異質(zhì)結(jié)界面形成的內(nèi)建電場(chǎng)促進(jìn)光生電子和空穴的分離，抑制復(fù)合，提高量子效率。
協(xié)同效應(yīng)：g-C3N4的化學(xué)穩(wěn)定性和TiO2的高催化活性相結(jié)合，提升整體光催化性能。
二、制備方法
物理混合法
步驟：將g-C3N4和TiO2粉末按一定比例混合，通過研磨等方法制備異質(zhì)結(jié)。
特點(diǎn)：操作簡(jiǎn)單，但界面接觸不均勻，性能提升有限。
化學(xué)合成法
原位煅燒法：
將尿素和(NH4)2TiF6混合溶液烘干后煅燒，原位生成g-C3N4和TiO2，形成異質(zhì)結(jié)。
優(yōu)勢(shì)：操作簡(jiǎn)單，成本低廉，適合大規(guī)模制備。
溶膠-熱液法：
將鈦酸正丁酯、無水乙醇和g-C3N4混合形成溶膠，轉(zhuǎn)移至反應(yīng)釜進(jìn)行熱液合成，得到g-C3N4/TiO2光催化劑。
優(yōu)勢(shì)：可實(shí)現(xiàn)均勻復(fù)合和良好界面接觸，提升光催化性能。
其他方法
水熱法：利用高溫高壓條件促進(jìn)g-C3N4和TiO2的復(fù)合。
超聲法：通過超聲波輔助實(shí)現(xiàn)均勻混合和界面結(jié)合。
三、應(yīng)用領(lǐng)域
光催化分解水制氫
g-C3N4/TiO2異質(zhì)結(jié)在可見光照射下可高效分解水制氫，氫氣產(chǎn)生量顯著高于單一組分。
案例：通過熱處理法制備的C-TiO2/g-C3N4異質(zhì)結(jié)，在5小時(shí)內(nèi)氫氣產(chǎn)生量達(dá)5.728 mmol/g，表觀量子效率約為6.2%，是原始g-C3N4的2.4倍。
降解有機(jī)污染物
異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)促進(jìn)光生載流子分離，提高降解效率，可用于降解羅丹明B、四環(huán)素等有機(jī)污染物。
案例：g-C3N4/TiO2(B)異質(zhì)結(jié)在可見光下對(duì)四環(huán)素的降解率達(dá)77.38%，且具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性。
殺菌消毒
光生空穴和活性氧物種（如·O2?、·OH）可破壞細(xì)菌細(xì)胞結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)高效殺菌。
能源存儲(chǔ)
在鋰離子電池等領(lǐng)域有潛在應(yīng)用，可提高電池性能和循環(huán)壽命。
傳感器
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