g-C3N4/TiO2異質結的制備方法
2025-08-06
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g-C3N4/TiO2異質結是由石墨相氮化碳（g-C3N4）和二氧化鈦（TiO2）組成的復合材料，通過構建異質結結構顯著提升光催化性能，在能源轉換和環境修復領域展現出廣闊應用前景。
一、材料特性與優勢
g-C3N4的特性
結構：二維層狀材料，由三嗪環或3-s-三嗪環通過共價鍵連接形成，具有高度離域的π共軛體系。
光學性質：禁帶寬度約2.7 eV，可吸收波長小于475 nm的藍紫光，實現可見光催化。
化學穩定性：耐高溫（>600℃）、耐強酸強堿，且無毒無害，對環境友好。
電子結構：N的pz軌道構成最高占據分子軌道（HOMO），C的pz軌道構成較低未占據分子軌道（LUMO），滿足光解水產氫產氧的熱力學要求。
TiO2的特性
結構：常用銳鈦礦型，具有高催化活性和穩定性，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-空穴對易復合，導致量子效率低。
g-C3N4/TiO2異質結的優勢
光譜響應擴展：g-C3N4的可見光吸收能力與TiO2的紫外光響應互補，拓寬了催化劑的光譜響應范圍。
載流子分離增強：異質結界面形成的內建電場促進光生電子和空穴的分離，抑制復合，提高量子效率。
協同效應：g-C3N4的化學穩定性和TiO2的高催化活性相結合，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結。
特點：操作簡單，但界面接觸不均勻，性能提升有限。
化學合成法
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，形成異質結。
優勢：操作簡單，成本低廉，適合大規模制備。
溶膠-熱液法：
將鈦酸正丁酯、無水乙醇和g-C3N4混合形成溶膠，轉移至反應釜進行熱液合成，得到g-C3N4/TiO2光催化劑。
優勢：可實現均勻復合和良好界面接觸，提升光催化性能。
其他方法
水熱法：利用高溫高壓條件促進g-C3N4和TiO2的復合。
超聲法：通過超聲波輔助實現均勻混合和界面結合。
三、應用領域
光催化分解水制氫
g-C3N4/TiO2異質結在可見光照射下可高效分解水制氫，氫氣產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異質結，在5小時內氫氣產生量達5.728 mmol/g，表觀量子效率約為6.2%，是原始g-C3N4的2.4倍。
降解有機污染物
異質結結構促進光生載流子分離，提高降解效率，可用于降解羅丹明B、四環素等有機污染物。
案例：g-C3N4/TiO2(B)異質結在可見光下對四環素的降解率達77.38%，且具有良好的循環穩定性。
殺菌消毒
光生空穴和活性氧物種（如·O2?、·OH）可破壞細菌細胞結構，實現高效殺菌。
能源存儲
在鋰離子電池等領域有潛在應用，可提高電池性能和循環壽命。
傳感器
用于制備高性能氣體傳感器，提高靈敏度和選擇性。
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