氮化碳纳米片的合成与光催化性能增强的研究进展开题报告

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1. 研究目的与意义（文献综述）

由于化石燃料本身的不可再生性，以及燃烧化石燃料释放的大量co₂产生的温室效应、环境污染等严重的全球性问题，构建洁净、环境友好、非化石燃料的可再生新能源体系，已经成为世界各国高度关注的焦点和重大战略。太阳能由于其取之不竭、洁净无污染、可重复利用等优点，必将在未来的新能源开发过程中占据举足轻重的地位。氢能源是21世纪最理想的清洁“无碳”能源，氢能具有高燃烧值、燃烧产物是水无环境污染等优点。但是，目前氢能的生产还主要是依靠煤、天然气的重整来获得，结合两者优点，以太阳光为驱动力的光催化分解水制氢技术被认为是开发利用氢能源最理想途径之一。大力开发利用可再生的氢燃料对于解决能源危机和环境污染问题具有重大科学意义^[1]。

而太阳能产氢过程中，通常使用无机半导体作为光催化剂。但无机半导体光催化剂大多或含有稀有金属，或制备工艺极为复杂，难以实现大规模工业化应用，因此，研究者们开始致力于研制新型光催化剂。2009年，王心晨课题组^[2]报道了石墨相氮化碳（g-c₃n₄）可以作为聚合物半导体光催化分解水产生氢气，引起了广泛的研究。普通石墨氮化碳(g-c₃n₄)又称为体相氮化碳，目前制备块状g-c₃n₄材料最常用的方法是将含有碳和氮元素的有机前驱体热缩聚制备，例如三聚氰胺、三聚氰胺二聚体(melam)和三聚氰胺二聚体(melem)，通过高温固相反应和cn杂环的平面排列聚合，形成二维原子层，再通过分子间相互作用相互堆叠，形成三维结构^[3]。g-c₃n₄的光催化性能源于c原子和n原子以sp2杂化形成的高度离域的大π共轭体系。研究表明，g-c₃n₄的 homo由n p_z轨道组成，位于 1.6 ev处，lumo由c p_z轨道组成，位于–1.1 ev 处，禁带宽度为2.7 ev，可以吸收波长小于475 nm的光，可作为许多光催化反应的可见光响应光催化剂^[5]。

石墨相氮化碳（g-c₃n₄）作为一种可见光响应的半导体聚合物光催化剂，仅由c和n两种地球上含量丰富且廉价的元素构成，具有廉价易得、化学稳定性好、无毒无害以及合适的禁带宽度和能带位置等优点，在空气中加热到600 ℃时也不会发生分解。g-c₃n₄片层之间强烈的范德华相互作用使它具有良好的化学稳定性，不溶于大多数溶剂，如水、乙醇、n,n-二甲基甲酰胺（dmf）、四氢呋喃（thf）、乙醚、甲苯等^[4]，且g-c₃n₄具有与石墨烯相类似的片层结构，表面积较大，因此具有良好的发展前景。

2. 研究的基本内容与方案

二、基本内容和技术方案

1、基本内容

g-c₃n₄纳米片，是从层状g-c₃n₄中分层中获得的二维纳米结构。g-c₃n₄纳米片具有高长径比、大比表面积、超薄厚度、丰富的表面基团和柱撑结构的孔隙率等特点，解决了g-c₃n₄低比表面积的问题，而其中理论上理想的单层g-c₃n₄具有高达2500 m² g^-1的表面积^[8-10]，所以研究g-c₃n₄纳米片结构的材料引起了广泛重视。

3. 研究计划与安排

第1-3周：查阅相关文献资料，明确研究内容，了解研究课题。确定思路，完成开题报告；

第4-7周：调研g-c₃n₄纳米片的合成思路及其进展；

第8-12周：了解g-c₃n₄纳米片的结构对光催化活性的影响；

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 陈安, 刘振华. 光催化材料的研究和发展趋势[j]. 广东化工, 2017, 44(09): 138-140.

[2] haiping liu, shuanglong ma, li shao, haitao liu, qiancheng gao, baojun li, haichao fu, shuai fu, honggang ye, fengying zhao, jianguo zhou. defective engineering in graphitic carbon nitride nanosheet for efficient photocatalytic pathogenic bacteria disinfection[j]. applied catalysis b: environmental, 2020, 261: 118201.

[3] fan dong, yuhan li, zhenyu wang, wing-kei ho. enhanced visible light photocatalytic activity and oxidation ability of porous graphene-like g-c₃n₄ nanosheets via thermal exfoliation[j]. applied surface science, 2015, 358: 393-403.