一、引言1.1研究背景與意義在材料科學(xué)的前沿探索中，過渡金屬氧化物復(fù)合石墨相氮化碳（g-C?N?）的研究正逐漸嶄露頭角，成為眾多科研工作者關(guān)注的焦點(diǎn)。隨著全球工業(yè)化進(jìn)程的加速，能源短缺與環(huán)境污染問題愈發(fā)嚴(yán)峻，對(duì)新型高效材料的需求迫在眉睫。過渡金屬氧化物復(fù)合石墨相氮化碳憑借其獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，在能源轉(zhuǎn)化與環(huán)境治理領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的潛力，為解決這些全球性問題提供了新的思路和方法。石墨相氮化碳作為一種新型的非金屬有機(jī)半導(dǎo)體材料，具有類似于石墨的層狀結(jié)構(gòu)，由碳和氮原子通過共價(jià)鍵相互連接形成穩(wěn)定的六元環(huán)共軛體系。這種特殊的結(jié)構(gòu)賦予了g-C?N?許多優(yōu)異的性能，如良好的化學(xué)穩(wěn)定性、合適的能帶結(jié)構(gòu)以及對(duì)可見光的響應(yīng)能力。在光催化領(lǐng)域，g-C?N?能夠吸收太陽光中的可見光部分，激發(fā)產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì)，進(jìn)而參與一系列氧化還原反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)有機(jī)污染物的降解、水的分解制氫以及二氧化碳的還原等過程，為清潔能源的開發(fā)和環(huán)境凈化提供了可能。然而，g-C?N?也存在一些固有的缺陷，如比表面積較小、光生載流子復(fù)合率較高以及光吸收范圍有限等，這些問題嚴(yán)重制約了其在實(shí)際應(yīng)用中的性能表現(xiàn)。過渡金屬氧化物則具有豐富的種類和獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，如良好的導(dǎo)電性、高催化活性以及多樣的氧化態(tài)等。不同的過渡金屬氧化物在催化、電學(xué)、磁學(xué)等領(lǐng)域展現(xiàn)出各自的優(yōu)勢(shì)，例如二氧化鈦（TiO?）具有較高的光催化活性和化學(xué)穩(wěn)定性，常被用于光催化降解污染物和光解水制氫；氧化鋅（ZnO）具有優(yōu)異的電學(xué)性能和光學(xué)性能，在傳感器、發(fā)光二極管等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。將過渡金屬氧化物與g-C?N?復(fù)合，可以實(shí)現(xiàn)兩者性能的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，有效改善g-C?N?的不足，拓展其應(yīng)用范圍。通過復(fù)合，過渡金屬氧化物可以作為電子受體或供體，促進(jìn)g-C?N?光生載流子的分離和傳輸，降低光生載流子的復(fù)合率，從而提高材料的光催化活性和光電轉(zhuǎn)換效率；過渡金屬氧化物的引入還可以改變g-C?N?的能帶結(jié)構(gòu)，拓寬其光吸收范圍，使其能夠更充分地利用太陽光中的能量。在能源領(lǐng)域，過渡金屬氧化物復(fù)合石墨相氮化碳有望成為高效的光催化劑，用于光解水制氫和太陽能電池等。光解水制氫是一種將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的理想方式，其關(guān)鍵在于開發(fā)高效的光催化劑。過渡金屬氧化物復(fù)合g-C?N?材料通過優(yōu)化光生載流子的分離和傳輸過程，提高了光解水的效率，為大規(guī)模制氫提供了新的材料選擇。在太陽能電池中，該復(fù)合材料可以作為光陽極或光活性層，增強(qiáng)對(duì)太陽光的吸收和利用，提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率，推動(dòng)太陽能電池技術(shù)的發(fā)展。在環(huán)境領(lǐng)域，這種復(fù)合材料在污染物降解和環(huán)境修復(fù)方面具有重要應(yīng)用價(jià)值。隨著工業(yè)化和城市化的發(fā)展，大量有機(jī)污染物和重金屬離子被排放到環(huán)境中，對(duì)生態(tài)環(huán)境和人類健康造成了嚴(yán)重威脅。過渡金屬氧化物復(fù)合g-C?N?材料能夠利用光催化作用，將有機(jī)污染物分解為無害的小分子物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)污水和空氣的凈化；該復(fù)合材料還可以通過吸附和催化作用，去除水體中的重金屬離子，實(shí)現(xiàn)環(huán)境修復(fù)。過渡金屬氧化物復(fù)合石墨相氮化碳的研究不僅具有重要的科學(xué)意義，為材料科學(xué)的發(fā)展提供了新的理論和方法，而且在能源與環(huán)境領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，有望為解決當(dāng)前面臨的能源危機(jī)和環(huán)境污染問題做出重要貢獻(xiàn)。對(duì)這一領(lǐng)域的深入研究，將有助于推動(dòng)相關(guān)技術(shù)的創(chuàng)新和進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。1.2研究現(xiàn)狀近年來，過渡金屬氧化物復(fù)合石墨相氮化碳的研究取得了顯著進(jìn)展，在制備方法、性能優(yōu)化及應(yīng)用探索等方面都有眾多成果涌現(xiàn)，但也面臨著一系列挑戰(zhàn)。在制備方法上，科研人員不斷探索創(chuàng)新，開發(fā)出多種有效的合成策略。原位生長法是一種常用的制備手段，通過在石墨相氮化碳的形成過程中引入過渡金屬氧化物前驅(qū)體，使金屬氧化物在g-C?N?表面或內(nèi)部原位生成并緊密結(jié)合。如在以尿素為原料熱解制備g-C?N?時(shí)，同時(shí)加入金屬鹽（如硝酸鐵、硫酸鋅等），在高溫反應(yīng)過程中，金屬鹽分解形成的金屬氧化物納米顆粒就會(huì)原位生長在g-C?N?基體上，形成緊密的復(fù)合結(jié)構(gòu)，這種方法能夠有效增強(qiáng)兩者之間的相互作用，促進(jìn)光生載流子的傳輸和分離。溶膠-凝膠法也被廣泛應(yīng)用于該復(fù)合材料的制備，先通過溶膠-凝膠過程制備出含有過渡金屬氧化物的溶膠，再將g-C?N?引入其中，經(jīng)過干燥、煅燒等處理，得到復(fù)合產(chǎn)物。利用該方法制備TiO?/g-C?N?復(fù)合材料時(shí)，以鈦酸丁酯為鈦源，通過溶膠-凝膠反應(yīng)形成TiO?溶膠，再與g-C?N?混合，最終獲得的復(fù)合材料具有良好的光催化活性，這是因?yàn)槿苣z-凝膠法能夠精確控制金屬氧化物的粒徑和分布，提高復(fù)合材料的均勻性。然而，當(dāng)前制備過程仍存在一些問題。一方面，部分制備方法條件較為苛刻，如化學(xué)氣相沉積法需要高溫、高壓等特殊條件，對(duì)設(shè)備要求高，制備成本昂貴，限制了其大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。另一方面，在制備過程中，難以精確控制過渡金屬氧化物的負(fù)載量、粒徑大小和分布均勻性，這些因素會(huì)直接影響復(fù)合材料的性能。若過渡金屬氧化物負(fù)載量過高，可能會(huì)導(dǎo)致團(tuán)聚現(xiàn)象，減少活性位點(diǎn)，降低材料性能；負(fù)載量過低，則無法充分發(fā)揮其協(xié)同作用。在應(yīng)用領(lǐng)域，過渡金屬氧化物復(fù)合石墨相氮化碳展現(xiàn)出了廣闊的前景。在光催化降解污染物方面，該復(fù)合材料表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。以降解有機(jī)染料羅丹明B為例，ZnO/g-C?N?復(fù)合材料在可見光照射下，能夠快速將羅丹明B分解為無害的小分子物質(zhì)。這是因?yàn)間-C?N?吸收可見光后產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì)，ZnO作為電子受體，能夠有效捕獲電子，促進(jìn)電子-空穴對(duì)的分離，提高光催化反應(yīng)效率。在光解水制氫領(lǐng)域，NiO/g-C?N?復(fù)合材料通過優(yōu)化光生載流子的傳輸和分離過程，提高了水分解的效率，為清潔能源的開發(fā)提供了新的途徑。在傳感器應(yīng)用中，該復(fù)合材料也表現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。如基于MnO?/g-C?N?復(fù)合材料構(gòu)建的傳感器，對(duì)某些氣體分子具有高靈敏度和選擇性，能夠快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)環(huán)境中的有害氣體，這是由于MnO?的催化活性和g-C?N?的良好導(dǎo)電性相結(jié)合，促進(jìn)了氣體分子在材料表面的吸附和反應(yīng)，產(chǎn)生明顯的電信號(hào)變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體的檢測(cè)。盡管取得了這些成果，但在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨諸多挑戰(zhàn)。在光催化領(lǐng)域，雖然復(fù)合材料的光催化活性有所提高，但整體效率仍有待進(jìn)一步提升，以滿足大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用的需求。復(fù)合材料的穩(wěn)定性也是一個(gè)關(guān)鍵問題，在長期光照和反應(yīng)條件下，可能會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變化和活性下降的現(xiàn)象。在傳感器應(yīng)用中，如何提高傳感器的穩(wěn)定性和重復(fù)性，降低檢測(cè)下限，也是需要解決的重要問題。1.3研究目的與創(chuàng)新點(diǎn)本研究旨在深入探究過渡金屬氧化物復(fù)合石墨相氮化碳的制備工藝優(yōu)化及其在能源與環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用拓展，以解決當(dāng)前該領(lǐng)域面臨的關(guān)鍵問題，推動(dòng)材料科學(xué)與相關(guān)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展。在制備工藝方面，研究目的是開發(fā)一種溫和、高效且易于大規(guī)模生產(chǎn)的制備方法，精確控制過渡金屬氧化物在石墨相氮化碳上的負(fù)載量、粒徑大小和分布均勻性。通過對(duì)現(xiàn)有制備方法如原位生長法、溶膠-凝膠法等的深入研究和改進(jìn)，結(jié)合新型的合成技術(shù)，探索出一條既能保證復(fù)合材料性能，又能降低制備成本和簡化制備流程的新途徑。例如，嘗試在原位生長法中引入特定的模板劑或表面活性劑，以調(diào)控過渡金屬氧化物的生長過程，實(shí)現(xiàn)其在g-C?N?表面的均勻分布和精準(zhǔn)負(fù)載。在應(yīng)用領(lǐng)域，本研究致力于進(jìn)一步提升過渡金屬氧化物復(fù)合石墨相氮化碳在光催化、傳感器等方面的性能。在光催化降解污染物應(yīng)用中，目標(biāo)是通過優(yōu)化復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和組成，提高其對(duì)不同類型有機(jī)污染物的降解效率和礦化程度，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜污染體系的有效凈化。以實(shí)際工業(yè)廢水處理為應(yīng)用場(chǎng)景，研究復(fù)合材料在不同水質(zhì)條件下對(duì)多種有機(jī)污染物的協(xié)同去除效果，為工業(yè)廢水的深度處理提供新的材料和技術(shù)支持。在光解水制氫方面，努力提高復(fù)合材料的光解水效率和穩(wěn)定性，降低制氫成本，推動(dòng)光解水制氫技術(shù)向?qū)嶋H應(yīng)用邁進(jìn)。通過優(yōu)化復(fù)合材料的能帶結(jié)構(gòu)和光生載流子傳輸路徑，提高光生載流子的分離效率和利用效率，從而提升光解水的產(chǎn)氫速率和量子效率。本研究的創(chuàng)新點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。在制備方法上，提出一種全新的復(fù)合策略，將多種制備技術(shù)的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)過渡金屬氧化物復(fù)合石墨相氮化碳結(jié)構(gòu)和性能的精確調(diào)控。例如，將水熱合成法與原位聚合技術(shù)相結(jié)合，在水熱條件下實(shí)現(xiàn)過渡金屬氧化物前驅(qū)體在g-C?N?前驅(qū)體中的均勻分散，然后通過原位聚合反應(yīng)形成緊密結(jié)合的復(fù)合材料，這種方法有望克服傳統(tǒng)制備方法中存在的界面結(jié)合不緊密、金屬氧化物分布不均勻等問題。在應(yīng)用方面，探索過渡金屬氧化物復(fù)合石墨相氮化碳在新領(lǐng)域的應(yīng)用，拓展其應(yīng)用邊界。將該復(fù)合材料應(yīng)用于新興的環(huán)境修復(fù)技術(shù)，如土壤污染修復(fù)、大氣中揮發(fā)性有機(jī)污染物的去除等。利用復(fù)合材料的光催化性能和吸附性能，開發(fā)一種新型的土壤修復(fù)材料，實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤中有機(jī)污染物和重金屬的同步去除和固定；探索將其用于室內(nèi)空氣凈化，設(shè)計(jì)一種基于該復(fù)合材料的空氣凈化裝置，高效去除空氣中的甲醛、苯等有害氣體，為改善室內(nèi)空氣質(zhì)量提供新的解決方案。二、過渡金屬氧化物復(fù)合石墨相氮化碳的基本原理2.1石墨相氮化碳的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)2.1.1晶體結(jié)構(gòu)石墨相氮化碳（g-C?N?）具有獨(dú)特的二維層狀晶體結(jié)構(gòu)，這一結(jié)構(gòu)賦予了它諸多優(yōu)異的性能。在g-C?N?的晶體結(jié)構(gòu)中，碳（C）原子和氮（N）原子通過共價(jià)鍵相互連接，形成了穩(wěn)定的六元環(huán)共軛體系。每個(gè)碳原子以sp2雜化方式與三個(gè)氮原子相連，而每個(gè)氮原子同樣以sp2雜化與兩個(gè)碳原子和一個(gè)氮原子成鍵，這種化學(xué)鍵的連接方式構(gòu)建起了類似于蜂窩狀的平面結(jié)構(gòu)。在同一層內(nèi)，這些六元環(huán)通過共用氮原子有序排列，形成了高度共軛的大π鍵體系，使得電子能夠在層內(nèi)相對(duì)自由地移動(dòng)，從而賦予了g-C?N?一定的電學(xué)性能和光學(xué)性質(zhì)。不同層之間則通過較弱的范德華力相互作用堆疊在一起。這種層間作用力相對(duì)較弱，使得層與層之間易于發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，類似于石墨的層間特性。正是由于層間的范德華力較弱，g-C?N?在一些情況下可以通過超聲、機(jī)械剝離等方法實(shí)現(xiàn)層狀結(jié)構(gòu)的剝離，得到少層甚至單層的g-C?N?納米片。這些納米片由于其獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)和較大的比表面積，在許多領(lǐng)域展現(xiàn)出更為優(yōu)異的性能。此外，在g-C?N?的晶體結(jié)構(gòu)中，還存在著一些缺陷和空位。這些缺陷和空位雖然在一定程度上會(huì)影響材料的完整性，但也為材料的改性和功能化提供了可能。例如，通過引入特定的缺陷或空位，可以調(diào)控g-C?N?的電子結(jié)構(gòu)和化學(xué)活性，從而改善其在光催化、電化學(xué)等領(lǐng)域的性能。這種二維層狀結(jié)構(gòu)以及獨(dú)特的化學(xué)鍵特點(diǎn)，對(duì)g-C?N?的材料性質(zhì)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。從物理性質(zhì)方面來看，層狀結(jié)構(gòu)使得g-C?N?具有一定的柔韌性和可加工性，能夠通過一些物理方法如溶液涂覆、旋涂等制備成薄膜或其他形式的材料。從化學(xué)性質(zhì)角度，共軛的大π鍵體系賦予了g-C?N?較高的化學(xué)穩(wěn)定性，使其能夠在多種化學(xué)環(huán)境中保持結(jié)構(gòu)和性能的相對(duì)穩(wěn)定。在光催化反應(yīng)中，這種穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)能夠保證g-C?N?在光照條件下不發(fā)生分解，持續(xù)發(fā)揮光催化活性。2.1.2物理化學(xué)性質(zhì)熱穩(wěn)定性：石墨相氮化碳（g-C?N?）展現(xiàn)出良好的熱穩(wěn)定性。在高溫環(huán)境下，其結(jié)構(gòu)能夠保持相對(duì)穩(wěn)定，一般可以耐受600℃左右的高溫。這是由于其內(nèi)部由碳氮原子通過共價(jià)鍵形成的穩(wěn)定六元環(huán)共軛體系，這種緊密的化學(xué)鍵連接方式賦予了材料較高的熱穩(wěn)定性。在一些高溫合成過程中，如通過熱縮聚法制備g-C?N?時(shí)，在500-600℃的高溫條件下，前驅(qū)體逐漸發(fā)生縮聚反應(yīng)形成g-C?N?，而生成的g-C?N?在該溫度范圍內(nèi)不會(huì)發(fā)生明顯的分解或結(jié)構(gòu)變化。這種熱穩(wěn)定性使得g-C?N?在一些需要高溫處理的應(yīng)用場(chǎng)景中具有優(yōu)勢(shì)，例如在高溫催化反應(yīng)中，它可以作為催化劑載體，在高溫反應(yīng)條件下保持自身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，為負(fù)載的活性組分提供穩(wěn)定的支撐?；瘜W(xué)穩(wěn)定性：g-C?N?具有出色的化學(xué)穩(wěn)定性，能夠在多種化學(xué)環(huán)境中保持自身結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的穩(wěn)定。它對(duì)常見的酸、堿具有一定的耐受性。在酸性溶液中，如稀鹽酸、稀硫酸等，g-C?N?的結(jié)構(gòu)不會(huì)被輕易破壞，能夠維持其化學(xué)活性。在堿性溶液中同樣表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性，這使得它在一些涉及酸堿環(huán)境的化學(xué)反應(yīng)或工業(yè)過程中具有應(yīng)用潛力。在某些化學(xué)合成反應(yīng)中，可能會(huì)在酸堿介質(zhì)中進(jìn)行，g-C?N?可以作為催化劑或催化劑載體參與其中，其化學(xué)穩(wěn)定性保證了它在反應(yīng)過程中不會(huì)被酸堿介質(zhì)侵蝕，從而持續(xù)發(fā)揮作用。光學(xué)性質(zhì)：作為一種半導(dǎo)體材料，g-C?N?具有獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)。其禁帶寬度約為2.7eV，這使得它能夠吸收可見光范圍內(nèi)的部分光子。當(dāng)g-C?N?受到可見光照射時(shí)，價(jià)帶中的電子會(huì)吸收光子能量躍遷到導(dǎo)帶，從而產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì)。這種光生載流子的產(chǎn)生是g-C?N?在光催化領(lǐng)域應(yīng)用的基礎(chǔ)。在光催化降解有機(jī)污染物的過程中，光生空穴具有強(qiáng)氧化性，能夠?qū)⒂袡C(jī)污染物氧化分解為小分子物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)污染物的降解。通過一些改性方法，如元素?fù)诫s、與其他材料復(fù)合等，可以進(jìn)一步調(diào)節(jié)g-C?N?的光學(xué)性質(zhì)，拓寬其光吸收范圍，提高對(duì)光的利用效率。電學(xué)性質(zhì)：g-C?N?具有一定的電學(xué)性能。由于其層內(nèi)存在共軛的大π鍵體系，電子能夠在層內(nèi)相對(duì)自由地移動(dòng)，從而表現(xiàn)出一定的導(dǎo)電性。然而，與傳統(tǒng)的金屬導(dǎo)體相比，其電導(dǎo)率相對(duì)較低。通過與一些具有良好導(dǎo)電性的材料復(fù)合，如過渡金屬氧化物、導(dǎo)電聚合物等，可以顯著提高其電學(xué)性能。在制備過渡金屬氧化物復(fù)合g-C?N?材料時(shí)，過渡金屬氧化物的引入可以作為電子傳輸通道，促進(jìn)g-C?N?中光生載流子的傳輸，提高材料的整體電學(xué)性能，這在光電器件、傳感器等應(yīng)用中具有重要意義。2.2過渡金屬氧化物的特性與作用2.2.1常見過渡金屬氧化物介紹二氧化鈦（TiO?）：二氧化鈦是一種白色固體或粉末狀的兩性氧化物，分子量為79.83。它具有獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)，常見的晶型有銳鈦礦型和金紅石型。銳鈦礦型TiO?的禁帶寬度約為3.2eV，金紅石型TiO?的禁帶寬度約為3.0eV，這使得它們能夠吸收紫外光并產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì)。TiO?具有高化學(xué)穩(wěn)定性，在一般的酸堿環(huán)境中不易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，能夠在較為苛刻的化學(xué)條件下保持自身結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的穩(wěn)定。它還具有良好的光催化活性，在光催化降解有機(jī)污染物、光解水制氫等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。在光催化降解有機(jī)污染物時(shí)，TiO?吸收紫外光后產(chǎn)生的光生空穴具有強(qiáng)氧化性，能夠?qū)⒂袡C(jī)污染物氧化分解為二氧化碳和水等小分子物質(zhì)。氧化鋅（ZnO）：氧化鋅是一種重要的過渡金屬氧化物，具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)。它是一種直接帶隙半導(dǎo)體，禁帶寬度約為3.37eV，在室溫下具有較大的激子結(jié)合能（約60meV）。這些特性使得ZnO在光電器件領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，如在發(fā)光二極管、激光二極管等器件中得到廣泛應(yīng)用。ZnO還具有良好的催化活性和吸附性能。在催化領(lǐng)域，它可以作為催化劑或催化劑載體參與多種化學(xué)反應(yīng)。在一些有機(jī)合成反應(yīng)中，ZnO能夠促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行，提高反應(yīng)的選擇性和產(chǎn)率。其吸附性能使其在環(huán)境治理領(lǐng)域也有應(yīng)用，例如可以吸附空氣中的有害氣體和水體中的重金屬離子等。氧化鈷（Co?O?）：氧化鈷是一種黑色粉末，具有尖晶石結(jié)構(gòu)。在尖晶石結(jié)構(gòu)中，鈷離子以不同的價(jià)態(tài)（Co2?和Co3?）存在于晶格中，這種多價(jià)態(tài)的特性賦予了Co?O?獨(dú)特的電學(xué)和催化性能。它具有較高的電子電導(dǎo)率，在電化學(xué)領(lǐng)域表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，如在電池電極材料、超級(jí)電容器等方面有重要應(yīng)用。在電池電極材料中，Co?O?能夠提供較高的比容量和良好的循環(huán)穩(wěn)定性。在催化領(lǐng)域，Co?O?對(duì)許多化學(xué)反應(yīng)具有較高的催化活性，特別是在氧化還原反應(yīng)中。在催化氧化一氧化碳的反應(yīng)中，Co?O?能夠有效地促進(jìn)一氧化碳與氧氣的反應(yīng)，將一氧化碳轉(zhuǎn)化為二氧化碳。2.2.2在復(fù)合材料中的作用機(jī)制促進(jìn)光生載流子的分離：在過渡金屬氧化物復(fù)合石墨相氮化碳（g-C?N?）的復(fù)合材料中，過渡金屬氧化物能夠作為有效的電子受體或供體，促進(jìn)g-C?N?光生載流子的分離。以TiO?/g-C?N?復(fù)合材料為例，當(dāng)復(fù)合材料受到光照時(shí)，g-C?N?吸收可見光產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì)。由于TiO?的導(dǎo)帶位置比g-C?N?的導(dǎo)帶位置更負(fù)，光生電子會(huì)從g-C?N?的導(dǎo)帶轉(zhuǎn)移到TiO?的導(dǎo)帶，從而實(shí)現(xiàn)電子-空穴對(duì)的有效分離。這種電子的轉(zhuǎn)移過程降低了光生載流子的復(fù)合幾率，使得更多的光生載流子能夠參與到后續(xù)的化學(xué)反應(yīng)中，提高了材料的光催化活性。提供額外的活性位點(diǎn)：過渡金屬氧化物的引入可以為復(fù)合材料提供額外的活性位點(diǎn)，增加化學(xué)反應(yīng)的活性中心。ZnO具有豐富的表面缺陷和活性位點(diǎn)，當(dāng)ZnO與g-C?N?復(fù)合后，這些活性位點(diǎn)能夠吸附反應(yīng)物分子，促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。在光催化降解有機(jī)污染物的過程中，有機(jī)污染物分子更容易吸附在ZnO的活性位點(diǎn)上，與g-C?N?產(chǎn)生的光生載流子發(fā)生反應(yīng)，從而加速污染物的降解。過渡金屬氧化物的晶體結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)也會(huì)影響其提供活性位點(diǎn)的能力。一些具有特殊晶體結(jié)構(gòu)的過渡金屬氧化物，如具有多孔結(jié)構(gòu)或高比表面積的氧化鈷，能夠提供更多的活性位點(diǎn)，進(jìn)一步提高復(fù)合材料的催化性能。調(diào)節(jié)能帶結(jié)構(gòu)：過渡金屬氧化物與g-C?N?復(fù)合還可以調(diào)節(jié)復(fù)合材料的能帶結(jié)構(gòu)，拓寬其光吸收范圍。不同的過渡金屬氧化物具有不同的電子結(jié)構(gòu)和能級(jí)分布，當(dāng)它們與g-C?N?復(fù)合時(shí)，會(huì)改變g-C?N?原有的能帶結(jié)構(gòu)。通過控制過渡金屬氧化物的種類、負(fù)載量和復(fù)合方式，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合材料能帶結(jié)構(gòu)的精確調(diào)控。在制備Fe?O?/g-C?N?復(fù)合材料時(shí)，F(xiàn)e?O?的引入可以使復(fù)合材料的吸收邊發(fā)生紅移，拓寬其對(duì)可見光的吸收范圍，從而提高材料對(duì)太陽能的利用效率。這種能帶結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)不僅有利于提高光催化性能，在光電器件等領(lǐng)域也具有重要意義，能夠改善材料的光電轉(zhuǎn)換效率。2.3復(fù)合的基本原理2.3.1電子相互作用在過渡金屬氧化物復(fù)合石墨相氮化碳（g-C?N?）的體系中，電子相互作用是實(shí)現(xiàn)兩者協(xié)同效應(yīng)的關(guān)鍵因素之一，主要體現(xiàn)在電子轉(zhuǎn)移和能級(jí)匹配等方面。從電子轉(zhuǎn)移角度來看，當(dāng)過渡金屬氧化物與g-C?N?復(fù)合時(shí)，由于兩者的電子結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)存在差異，會(huì)在界面處形成電子轉(zhuǎn)移的驅(qū)動(dòng)力。以MnO?/g-C?N?復(fù)合材料為例，在光照條件下，g-C?N?吸收可見光產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì)。由于MnO?具有較高的電子親和勢(shì)，g-C?N?導(dǎo)帶上的光生電子會(huì)迅速轉(zhuǎn)移到MnO?的導(dǎo)帶上。這種電子轉(zhuǎn)移過程有效地分離了光生電子和空穴，降低了它們的復(fù)合幾率。光生電子在MnO?表面參與還原反應(yīng)，光生空穴則留在g-C?N?表面參與氧化反應(yīng)，從而提高了材料的光催化活性。通過這種電子轉(zhuǎn)移機(jī)制，復(fù)合材料能夠更充分地利用光生載流子，實(shí)現(xiàn)更多的化學(xué)反應(yīng)，如在光催化降解有機(jī)污染物過程中，能夠更高效地將污染物分解為無害的小分子物質(zhì)。能級(jí)匹配也是電子相互作用的重要方面。過渡金屬氧化物和g-C?N?的能級(jí)結(jié)構(gòu)決定了電子轉(zhuǎn)移的方向和效率。不同的過渡金屬氧化物具有不同的能級(jí)位置，與g-C?N?復(fù)合時(shí)，需要考慮兩者能級(jí)的匹配情況。對(duì)于TiO?/g-C?N?復(fù)合材料，TiO?的導(dǎo)帶位置比g-C?N?的導(dǎo)帶位置更負(fù)，這使得g-C?N?產(chǎn)生的光生電子能夠順利地轉(zhuǎn)移到TiO?的導(dǎo)帶上。這種能級(jí)匹配不僅促進(jìn)了電子的轉(zhuǎn)移，還能夠形成內(nèi)建電場(chǎng)，進(jìn)一步加速光生載流子的分離和傳輸。內(nèi)建電場(chǎng)的存在使得光生電子和空穴能夠在電場(chǎng)作用下快速遷移到材料表面，參與化學(xué)反應(yīng)，從而提高了材料的光催化性能。如果能級(jí)不匹配，電子轉(zhuǎn)移過程可能會(huì)受到阻礙，導(dǎo)致光生載流子復(fù)合增加，降低材料的性能。通過合理選擇過渡金屬氧化物的種類和控制其與g-C?N?的復(fù)合方式，可以優(yōu)化兩者的能級(jí)匹配，提高復(fù)合材料的電子相互作用效率，進(jìn)而提升材料的性能。2.3.2界面效應(yīng)在過渡金屬氧化物復(fù)合石墨相氮化碳（g-C?N?）的體系中，界面效應(yīng)起著至關(guān)重要的作用，它涉及復(fù)合材料界面的形成、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及對(duì)材料性能的影響。復(fù)合材料界面的形成是一個(gè)復(fù)雜的過程，與制備方法密切相關(guān)。在原位生長法制備的Fe?O?/g-C?N?復(fù)合材料中，在制備過程中，F(xiàn)e?O?前驅(qū)體在g-C?N?表面或內(nèi)部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，逐漸形成Fe?O?納米顆粒，并與g-C?N?緊密結(jié)合。這種原位生長方式能夠使Fe?O?與g-C?N?之間形成原子級(jí)別的接觸，界面結(jié)合緊密。而在物理混合法制備的復(fù)合材料中，過渡金屬氧化物與g-C?N?之間主要通過范德華力等較弱的相互作用結(jié)合，界面結(jié)合相對(duì)較弱。界面的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)復(fù)合材料性能有著顯著影響。緊密的界面結(jié)構(gòu)能夠促進(jìn)電子在過渡金屬氧化物與g-C?N?之間的傳輸。在TiO?/g-C?N?復(fù)合材料中，若兩者界面結(jié)合緊密，g-C?N?產(chǎn)生的光生電子能夠快速通過界面轉(zhuǎn)移到TiO?上，減少電子傳輸過程中的能量損失。界面處還可能存在一些缺陷和活性位點(diǎn)。這些缺陷和活性位點(diǎn)可以作為化學(xué)反應(yīng)的活性中心，吸附反應(yīng)物分子，促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。在光催化降解有機(jī)污染物時(shí)，有機(jī)污染物分子更容易吸附在界面的活性位點(diǎn)上，與光生載流子發(fā)生反應(yīng)，從而加速污染物的降解。界面效應(yīng)還會(huì)影響復(fù)合材料的穩(wěn)定性。良好的界面結(jié)合能夠增強(qiáng)復(fù)合材料的機(jī)械穩(wěn)定性，使其在使用過程中不易發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞。在一些實(shí)際應(yīng)用中，如光催化反應(yīng)器中，復(fù)合材料可能會(huì)受到流體的沖刷等外力作用，緊密的界面結(jié)構(gòu)能夠保證過渡金屬氧化物與g-C?N?在受力情況下仍能保持結(jié)合狀態(tài)，維持材料的性能。從化學(xué)穩(wěn)定性角度，合適的界面結(jié)構(gòu)可以防止過渡金屬氧化物與g-C?N?在化學(xué)環(huán)境中發(fā)生相互反應(yīng)導(dǎo)致性能下降。在酸堿環(huán)境中，若界面結(jié)構(gòu)不合理，可能會(huì)導(dǎo)致過渡金屬氧化物溶解或g-C?N?結(jié)構(gòu)被破壞，而良好的界面效應(yīng)能夠有效避免這些問題，提高復(fù)合材料的化學(xué)穩(wěn)定性。三、制備方法研究3.1常見制備方法概述3.1.1熱縮聚法熱縮聚法是制備過渡金屬氧化物復(fù)合石墨相氮化碳（g-C?N?）的一種經(jīng)典且常用的方法。該方法通常以富含碳、氮元素的化合物，如尿素、三聚氰胺、雙氰胺、硫脲等作為前驅(qū)體。以尿素為例，在高溫環(huán)境下，一般溫度范圍在500-600℃，尿素分子首先發(fā)生分解反應(yīng)，釋放出氨氣（NH?）等小分子物質(zhì)。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，剩余的含碳、氮基團(tuán)之間發(fā)生縮聚反應(yīng)，逐漸形成具有共軛結(jié)構(gòu)的石墨相氮化碳。在這個(gè)過程中，若要制備過渡金屬氧化物復(fù)合g-C?N?材料，可在反應(yīng)體系中加入過渡金屬的鹽類或氧化物前驅(qū)體。當(dāng)金屬鹽（如硝酸鐵Fe(NO?)?、硫酸鋅ZnSO?等）與尿素等碳氮前驅(qū)體混合后進(jìn)行熱縮聚反應(yīng)時(shí)，在高溫作用下，金屬鹽會(huì)分解形成過渡金屬氧化物納米顆粒，這些納米顆粒會(huì)在g-C?N?的形成過程中，原位生長并鑲嵌在g-C?N?的基體中，從而實(shí)現(xiàn)兩者的復(fù)合。熱縮聚法具有諸多顯著優(yōu)點(diǎn)。從操作層面來看，其操作流程相對(duì)簡單，不需要復(fù)雜的設(shè)備和技術(shù)，對(duì)實(shí)驗(yàn)條件的要求相對(duì)較低。在成本方面，前驅(qū)體如尿素、三聚氰胺等價(jià)格低廉，來源廣泛，使得大規(guī)模生產(chǎn)成為可能。該方法還能夠較好地控制產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)，通過調(diào)整前驅(qū)體的種類、比例以及反應(yīng)溫度、時(shí)間等條件，可以在一定程度上調(diào)控g-C?N?的晶體結(jié)構(gòu)、層間距等參數(shù)，進(jìn)而影響復(fù)合材料的性能。然而，熱縮聚法也存在一些不足之處。產(chǎn)物的形貌往往較為單一，通常得到的是塊狀的g-C?N?材料，其比表面積相對(duì)較小。較小的比表面積限制了材料與反應(yīng)物的接觸面積，在一些對(duì)表面積要求較高的應(yīng)用中，如光催化降解污染物、氣體吸附等，會(huì)影響材料的性能發(fā)揮。熱縮聚過程是在高溫下進(jìn)行，能耗較大，這不僅增加了生產(chǎn)成本，還可能對(duì)環(huán)境造成一定的壓力。在復(fù)合過程中，精確控制過渡金屬氧化物的負(fù)載量、粒徑大小和分布均勻性具有一定難度。若過渡金屬氧化物負(fù)載量過高，容易導(dǎo)致團(tuán)聚現(xiàn)象，降低材料的活性位點(diǎn)；負(fù)載量過低，則無法充分發(fā)揮其協(xié)同作用。3.1.2溶劑熱法溶劑熱法是制備過渡金屬氧化物復(fù)合石墨相氮化碳（g-C?N?）的一種重要方法，其原理基于在特定溶劑環(huán)境中，通過控制溫度和壓力條件，促使前驅(qū)體發(fā)生聚合反應(yīng)。在溶劑熱法中，首先需要選擇合適的溶劑，常見的溶劑包括水、醇類（如乙醇、乙二醇等）、胺類（如乙二胺、三乙胺等）以及一些有機(jī)溶劑的混合體系。這些溶劑不僅作為反應(yīng)介質(zhì)，還可能參與反應(yīng)過程，影響產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)和性能。以制備TiO?/g-C?N?復(fù)合材料為例，將鈦源（如鈦酸丁酯）、碳氮前驅(qū)體（如三聚氰胺）以及適當(dāng)?shù)娜軇ㄈ缫掖己退幕旌先芤海┘尤氲椒磻?yīng)釜中。在高溫高壓的反應(yīng)條件下，一般反應(yīng)溫度在150-250℃，壓力則根據(jù)反應(yīng)體系和溶劑的性質(zhì)而定。鈦酸丁酯在溶劑中逐漸水解，形成TiO?的前驅(qū)體，如氫氧化鈦等。同時(shí)，三聚氰胺在溶劑熱環(huán)境下發(fā)生聚合反應(yīng)，形成g-C?N?。在這個(gè)過程中，TiO?前驅(qū)體與g-C?N?前驅(qū)體相互作用，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，TiO?逐漸在g-C?N?表面或內(nèi)部生長，最終形成TiO?/g-C?N?復(fù)合材料。溶劑熱法具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。由于反應(yīng)是在溶液中進(jìn)行，反應(yīng)物分子在溶劑中能夠充分分散，反應(yīng)體系中的物質(zhì)傳遞和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)條件較好，有利于實(shí)現(xiàn)過渡金屬氧化物在g-C?N?上的均勻負(fù)載。通過精確控制反應(yīng)溫度、壓力和反應(yīng)時(shí)間等條件，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和形貌的精細(xì)調(diào)控?？梢酝ㄟ^調(diào)整反應(yīng)參數(shù)制備出具有不同粒徑大小、形狀和分布的TiO?納米顆粒負(fù)載在g-C?N?上的復(fù)合材料。這種精確調(diào)控對(duì)于優(yōu)化復(fù)合材料的性能，如提高光催化活性、改善電學(xué)性能等具有重要意義。然而，溶劑熱法也存在一些局限性。該方法的反應(yīng)效率相對(duì)較低，反應(yīng)時(shí)間通常較長，一般需要數(shù)小時(shí)甚至數(shù)天，這在一定程度上限制了其大規(guī)模生產(chǎn)的效率。由于使用了大量的有機(jī)溶劑，在反應(yīng)結(jié)束后，需要對(duì)溶劑進(jìn)行回收和處理，這不僅增加了制備成本，還可能對(duì)環(huán)境造成一定的污染。在一些對(duì)有機(jī)溶劑殘留敏感的應(yīng)用領(lǐng)域，如生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，溶劑殘留問題可能會(huì)限制材料的應(yīng)用。3.1.3化學(xué)氣相沉積法化學(xué)氣相沉積法（CVD）是一種在材料表面制備薄膜或涂層的常用技術(shù)，也可用于制備過渡金屬氧化物復(fù)合石墨相氮化碳（g-C?N?）材料。其基本原理是利用氣態(tài)的前驅(qū)體在高溫和催化劑的作用下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物在基底表面沉積并逐漸生長，形成所需的復(fù)合材料。在制備過渡金屬氧化物復(fù)合g-C?N?時(shí)，首先需要選擇合適的氣態(tài)前驅(qū)體。對(duì)于g-C?N?的形成，常見的碳氮前驅(qū)體有氰胺、三聚氰胺蒸汽等；對(duì)于過渡金屬氧化物，前驅(qū)體可以是金屬有機(jī)化合物（如金屬乙酰丙酮鹽）或金屬鹵化物（如氯化鈦、氯化鋅等）。以制備ZnO/g-C?N?復(fù)合材料為例，將基底（如硅片、石英片等）放置在反應(yīng)腔室中。在高溫條件下，一般溫度在500-800℃，通入氰胺蒸汽和鋅的氣態(tài)前驅(qū)體（如二乙基鋅）。氰胺蒸汽在高溫下分解，碳原子和氮原子逐漸聚合形成g-C?N?，并在基底表面沉積。同時(shí)，二乙基鋅分解產(chǎn)生鋅原子，鋅原子與反應(yīng)腔室中的氧氣（可以是預(yù)先通入的，也可以是反應(yīng)體系中殘留的）反應(yīng)生成ZnO納米顆粒。這些ZnO納米顆粒在g-C?N?薄膜生長的過程中，逐漸沉積在g-C?N?表面或嵌入其內(nèi)部，從而形成ZnO/g-C?N?復(fù)合材料?；瘜W(xué)氣相沉積法具有顯著的優(yōu)點(diǎn)。能夠在基底表面制備出高質(zhì)量、均勻的復(fù)合材料薄膜，薄膜的厚度和成分可以通過控制反應(yīng)時(shí)間、前驅(qū)體流量等參數(shù)進(jìn)行精確調(diào)控。該方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)材料微觀結(jié)構(gòu)的精細(xì)控制，通過調(diào)整反應(yīng)條件，可以制備出具有不同晶體結(jié)構(gòu)、粒徑大小和分布的過渡金屬氧化物納米顆粒負(fù)載在g-C?N?薄膜上的復(fù)合材料。在一些對(duì)材料微觀結(jié)構(gòu)要求較高的應(yīng)用中，如光電器件、傳感器等，這種精確控制能力具有重要意義。但是，化學(xué)氣相沉積法也存在一些缺點(diǎn)。設(shè)備昂貴，需要高溫、真空等特殊條件，對(duì)設(shè)備的要求較高，維護(hù)成本也較大。制備過程復(fù)雜，需要嚴(yán)格控制反應(yīng)條件，如溫度、壓力、前驅(qū)體流量等，任何一個(gè)參數(shù)的微小變化都可能影響復(fù)合材料的質(zhì)量和性能?；瘜W(xué)氣相沉積法的制備效率相對(duì)較低，產(chǎn)量有限，這在一定程度上限制了其大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的應(yīng)用。3.1.4其他方法微波輔助法：微波輔助法是利用微波的特殊加熱效應(yīng)來制備過渡金屬氧化物復(fù)合石墨相氮化碳（g-C?N?）的一種方法。微波是一種頻率介于300MHz至300GHz的電磁波，能夠與物質(zhì)分子相互作用，使分子快速振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，從而產(chǎn)生熱能。在微波輔助制備過程中，將碳氮前驅(qū)體（如尿素、三聚氰胺等）、過渡金屬前驅(qū)體（如金屬鹽溶液）以及適當(dāng)?shù)娜軇┗旌虾?，放入微波反?yīng)器中。在微波的作用下，反應(yīng)體系迅速升溫，前驅(qū)體快速發(fā)生反應(yīng)。這種快速加熱方式能夠使反應(yīng)在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到較高溫度，促進(jìn)過渡金屬氧化物在g-C?N?上的復(fù)合。與傳統(tǒng)加熱方式相比，微波輔助法具有加熱速度快、反應(yīng)時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn)，能夠有效提高制備效率。微波的快速加熱還可以使反應(yīng)體系受熱更加均勻，有利于制備出結(jié)構(gòu)均勻的復(fù)合材料。然而，該方法對(duì)設(shè)備有一定要求，需要專門的微波反應(yīng)器，且部分材料對(duì)微波的吸收能力有限，可能需要添加輔助吸波材料來促進(jìn)反應(yīng)進(jìn)行。溶膠-凝膠法：溶膠-凝膠法是一種基于溶液化學(xué)的制備方法，常用于制備過渡金屬氧化物復(fù)合g-C?N?材料。該方法首先將過渡金屬鹽（如鈦鹽、鋅鹽等）溶解在適當(dāng)?shù)娜軇┲?，加入螯合劑（如檸檬酸、乙二胺四乙酸等），通過水解和縮聚反應(yīng)形成均勻的溶膠。在溶膠中，過渡金屬離子以化學(xué)鍵的形式與螯合劑和溶劑分子結(jié)合，形成穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。將碳氮前驅(qū)體（如三聚氰胺、氰胺等）加入到溶膠中，經(jīng)過攪拌、超聲等處理，使碳氮前驅(qū)體均勻分散在溶膠體系中。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，溶膠逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槟z。在凝膠中，過渡金屬氧化物前驅(qū)體與g-C?N?前驅(qū)體相互交織。通過干燥、煅燒等后續(xù)處理，去除凝膠中的溶劑和有機(jī)物，使過渡金屬氧化物在g-C?N?上原位生成并復(fù)合。溶膠-凝膠法的優(yōu)點(diǎn)在于能夠精確控制過渡金屬氧化物的粒徑和分布，通過調(diào)整溶膠的組成和反應(yīng)條件，可以制備出粒徑均勻、分散性好的過渡金屬氧化物納米顆粒負(fù)載在g-C?N?上的復(fù)合材料。該方法還可以在較低溫度下進(jìn)行反應(yīng)，有利于保持材料的結(jié)構(gòu)和性能。但該方法的制備過程較為繁瑣，需要使用大量的有機(jī)溶劑和螯合劑，成本較高，且在制備過程中可能會(huì)引入雜質(zhì)，影響材料的純度和性能。3.2制備工藝的優(yōu)化與創(chuàng)新3.2.1前驅(qū)體的選擇與處理前驅(qū)體的選擇與處理對(duì)過渡金屬氧化物復(fù)合石墨相氮化碳（g-C?N?）的性能有著至關(guān)重要的影響。在選擇前驅(qū)體時(shí)，需要綜合考慮其化學(xué)組成、反應(yīng)活性以及對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和性能的影響。對(duì)于石墨相氮化碳的制備，常見的前驅(qū)體有尿素、三聚氰胺、雙氰胺、硫脲等。這些前驅(qū)體各有特點(diǎn)，尿素價(jià)格低廉、來源廣泛，是一種常用的前驅(qū)體。以尿素為前驅(qū)體通過熱縮聚法制備g-C?N?時(shí)，在高溫條件下，尿素分子分解產(chǎn)生氨氣等小分子，剩余的含碳、氮基團(tuán)發(fā)生縮聚反應(yīng)形成g-C?N?。但尿素制備的g-C?N?往往結(jié)晶度較低，比表面積相對(duì)較小。三聚氰胺則具有較高的氮含量，能夠形成相對(duì)規(guī)整的石墨相氮化碳結(jié)構(gòu)。有研究表明，以三聚氰胺為前驅(qū)體制備的g-C?N?具有更好的結(jié)晶性和較大的比表面積，在光催化等應(yīng)用中表現(xiàn)出更優(yōu)異的性能。在過渡金屬氧化物前驅(qū)體的選擇上，金屬鹽類如硝酸鹽、硫酸鹽、氯化物等較為常見。硝酸鐵（Fe(NO?)?）常作為制備鐵氧化物復(fù)合g-C?N?的前驅(qū)體。在熱縮聚或溶劑熱等制備過程中，硝酸鐵在高溫或特定溶劑環(huán)境下分解，形成鐵氧化物納米顆粒，并與g-C?N?復(fù)合。不同的金屬鹽前驅(qū)體在反應(yīng)過程中的分解溫度、反應(yīng)活性等存在差異，會(huì)影響過渡金屬氧化物的生成和復(fù)合效果。前驅(qū)體的預(yù)處理方法也對(duì)反應(yīng)有著重要的促進(jìn)作用。對(duì)前驅(qū)體進(jìn)行研磨處理，可以減小其粒徑，增加比表面積，提高反應(yīng)活性。在以尿素和硝酸鋅為前驅(qū)體制備ZnO/g-C?N?復(fù)合材料時(shí)，將尿素和硝酸鋅分別研磨后再混合，能夠使兩者在反應(yīng)體系中更均勻地分散，促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行，提高復(fù)合材料的均勻性。對(duì)前驅(qū)體進(jìn)行表面修飾也是一種有效的預(yù)處理方法。在制備TiO?/g-C?N?復(fù)合材料時(shí)，對(duì)鈦源（如鈦酸丁酯）進(jìn)行表面修飾，使其表面帶有特定的官能團(tuán)，這些官能團(tuán)可以與g-C?N?前驅(qū)體發(fā)生相互作用，增強(qiáng)兩者之間的結(jié)合力，有利于TiO?在g-C?N?表面的均勻負(fù)載。3.2.2反應(yīng)條件的精確控制反應(yīng)條件的精確控制是制備高性能過渡金屬氧化物復(fù)合石墨相氮化碳（g-C?N?）的關(guān)鍵，溫度、壓力、反應(yīng)時(shí)間和反應(yīng)物比例等因素都會(huì)對(duì)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和性能產(chǎn)生顯著影響。溫度是影響制備過程的重要因素之一。在熱縮聚法制備g-C?N?的過程中，溫度對(duì)g-C?N?的結(jié)構(gòu)和性能有重要影響。當(dāng)溫度過低時(shí)，前驅(qū)體的縮聚反應(yīng)不完全，導(dǎo)致g-C?N?的結(jié)晶度低，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。在以尿素為前驅(qū)體熱縮聚制備g-C?N?時(shí)，若反應(yīng)溫度低于500℃，生成的g-C?N?可能含有較多的未反應(yīng)基團(tuán)，其光催化活性較低。而溫度過高則可能導(dǎo)致g-C?N?結(jié)構(gòu)的破壞，如層狀結(jié)構(gòu)的坍塌等。在制備過渡金屬氧化物復(fù)合g-C?N?時(shí)，溫度還會(huì)影響過渡金屬氧化物的形成和生長。在溶劑熱法制備MnO?/g-C?N?復(fù)合材料時(shí)，不同的反應(yīng)溫度會(huì)導(dǎo)致MnO?納米顆粒的粒徑和形貌發(fā)生變化。較低溫度下可能生成粒徑較小、分散性較好的MnO?納米顆粒，而較高溫度下則可能導(dǎo)致MnO?顆粒團(tuán)聚，影響復(fù)合材料的性能。壓力在一些制備方法中也起著關(guān)鍵作用，如在化學(xué)氣相沉積法和溶劑熱法中。在化學(xué)氣相沉積法制備ZnO/g-C?N?復(fù)合材料時(shí)，反應(yīng)壓力會(huì)影響氣態(tài)前驅(qū)體的擴(kuò)散和反應(yīng)速率。適當(dāng)提高壓力可以增加前驅(qū)體分子在基底表面的碰撞頻率，促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行，有利于制備出高質(zhì)量的復(fù)合材料薄膜。但壓力過高可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備成本增加，同時(shí)也可能對(duì)反應(yīng)體系產(chǎn)生不利影響，如使反應(yīng)難以控制等。在溶劑熱法中，壓力與溫度密切相關(guān)，會(huì)影響溶劑的沸點(diǎn)和反應(yīng)體系的溶解度。在一定溫度下，適當(dāng)調(diào)整壓力可以改變?nèi)軇┑男再|(zhì)，進(jìn)而影響前驅(qū)體的反應(yīng)活性和產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)。反應(yīng)時(shí)間同樣對(duì)復(fù)合材料的性能有重要影響。在熱縮聚法制備g-C?N?時(shí)，反應(yīng)時(shí)間過短，前驅(qū)體不能充分縮聚，g-C?N?的結(jié)構(gòu)不完善。而反應(yīng)時(shí)間過長，可能會(huì)導(dǎo)致g-C?N?的過度燒結(jié)，使其比表面積減小，活性位點(diǎn)減少。在制備Fe?O?/g-C?N?復(fù)合材料時(shí)，反應(yīng)時(shí)間會(huì)影響Fe?O?在g-C?N?上的負(fù)載量和分布均勻性。較短的反應(yīng)時(shí)間可能導(dǎo)致Fe?O?負(fù)載量不足，無法充分發(fā)揮其協(xié)同作用；而反應(yīng)時(shí)間過長，可能會(huì)使Fe?O?顆粒團(tuán)聚，降低復(fù)合材料的性能。反應(yīng)物比例的精確控制也至關(guān)重要。在制備過渡金屬氧化物復(fù)合g-C?N?時(shí)，過渡金屬氧化物前驅(qū)體與g-C?N?前驅(qū)體的比例會(huì)影響復(fù)合材料的組成和性能。在制備TiO?/g-C?N?復(fù)合材料時(shí)，若TiO?前驅(qū)體的比例過高，可能會(huì)導(dǎo)致TiO?在g-C?N?表面團(tuán)聚，減少活性位點(diǎn)，降低光催化活性。而TiO?前驅(qū)體比例過低，則無法充分發(fā)揮TiO?對(duì)g-C?N?光生載流子的分離和傳輸作用。通過實(shí)驗(yàn)研究不同反應(yīng)物比例下復(fù)合材料的性能，找到最佳的比例范圍，是優(yōu)化制備工藝的重要環(huán)節(jié)。例如，在研究不同TiO?與g-C?N?比例的復(fù)合材料對(duì)光催化降解有機(jī)污染物的性能時(shí)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)TiO?與g-C?N?的質(zhì)量比為某一特定值時(shí)，復(fù)合材料的光催化活性最高。3.2.3新方法的探索與嘗試為了進(jìn)一步提升過渡金屬氧化物復(fù)合石墨相氮化碳（g-C?N?）的性能，科研人員不斷探索新的制備技術(shù)和改進(jìn)現(xiàn)有的制備工藝，原位生長法和模板法等新興技術(shù)展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。原位生長法是一種在g-C?N?基體上直接生長過渡金屬氧化物的方法，能夠?qū)崿F(xiàn)兩者之間的緊密結(jié)合。在制備MnO?/g-C?N?復(fù)合材料時(shí)，采用原位生長法，以高錳酸鉀（KMnO?）為錳源，在g-C?N?的存在下，通過氧化還原反應(yīng)使MnO?在g-C?N?表面原位生成。這種方法的優(yōu)勢(shì)在于，MnO?與g-C?N?之間能夠形成牢固的化學(xué)鍵，增強(qiáng)了兩者之間的電子相互作用。在光催化反應(yīng)中，光生載流子能夠更高效地在MnO?和g-C?N?之間傳輸，降低了復(fù)合幾率，從而提高了光催化活性。原位生長法還可以精確控制MnO?的生長位置和粒徑大小，通過調(diào)整反應(yīng)條件，如反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間和反應(yīng)物濃度等，可以制備出粒徑均勻、分布合理的MnO?納米顆粒負(fù)載在g-C?N?上的復(fù)合材料。模板法是利用模板的空間限制作用來控制過渡金屬氧化物和g-C?N?的生長，從而制備出具有特定結(jié)構(gòu)和形貌的復(fù)合材料。在制備具有多孔結(jié)構(gòu)的Fe?O?/g-C?N?復(fù)合材料時(shí)，采用硬模板法，以介孔二氧化硅為模板。首先將鐵鹽和g-C?N?前驅(qū)體填充到介孔二氧化硅的孔道中，然后通過熱處理使前驅(qū)體反應(yīng)生成Fe?O?和g-C?N?。最后去除模板，得到具有多孔結(jié)構(gòu)的Fe?O?/g-C?N?復(fù)合材料。這種多孔結(jié)構(gòu)具有較大的比表面積，能夠增加復(fù)合材料與反應(yīng)物的接觸面積，提高反應(yīng)活性。模板法還可以精確控制復(fù)合材料的孔徑大小和孔道分布，通過選擇不同孔徑的模板，可以制備出適用于不同應(yīng)用場(chǎng)景的復(fù)合材料。在吸附領(lǐng)域，具有特定孔徑的Fe?O?/g-C?N?復(fù)合材料能夠更有效地吸附特定尺寸的分子或離子。3.3制備過程中的關(guān)鍵影響因素3.3.1溫度的影響溫度在過渡金屬氧化物復(fù)合石墨相氮化碳（g-C?N?）的制備過程中扮演著極為關(guān)鍵的角色，對(duì)反應(yīng)速率、產(chǎn)物結(jié)構(gòu)和性能產(chǎn)生多方面的影響。在熱縮聚法制備g-C?N?時(shí)，溫度對(duì)反應(yīng)速率起著決定性作用。一般來說，溫度升高，前驅(qū)體分子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，分子間的碰撞頻率增加，反應(yīng)速率加快。以尿素為前驅(qū)體熱縮聚制備g-C?N?為例，在較低溫度下，如400℃時(shí)，尿素分子的分解和縮聚反應(yīng)進(jìn)行得較為緩慢，反應(yīng)時(shí)間長且不完全。而當(dāng)溫度升高到550℃左右時(shí)，反應(yīng)速率明顯加快，尿素分子迅速分解產(chǎn)生氨氣等小分子，剩余的含碳、氮基團(tuán)快速發(fā)生縮聚反應(yīng)，能夠在較短時(shí)間內(nèi)形成g-C?N?。但溫度過高，如超過650℃，可能會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)過于劇烈，前驅(qū)體分解過快，難以形成規(guī)整的g-C?N?結(jié)構(gòu)，甚至可能使g-C?N?發(fā)生分解，降低產(chǎn)物的質(zhì)量和產(chǎn)率。溫度對(duì)產(chǎn)物結(jié)構(gòu)也有顯著影響。在較低溫度下制備的g-C?N?，其結(jié)晶度往往較低，層狀結(jié)構(gòu)不夠規(guī)整。研究表明，在450℃熱縮聚制備的g-C?N?，通過X射線衍射（XRD）分析發(fā)現(xiàn)其特征衍射峰較弱且寬化，表明晶體結(jié)構(gòu)不完善。而在合適的較高溫度下，如550-600℃，g-C?N?能夠形成較為規(guī)整的層狀結(jié)構(gòu)，XRD圖譜中特征衍射峰尖銳，說明結(jié)晶度提高。在制備過渡金屬氧化物復(fù)合g-C?N?時(shí)，溫度還會(huì)影響過渡金屬氧化物的晶體結(jié)構(gòu)和粒徑大小。在溶劑熱法制備MnO?/g-C?N?復(fù)合材料時(shí)，較低溫度下生成的MnO?可能為無定形結(jié)構(gòu)，隨著溫度升高，MnO?逐漸結(jié)晶，形成不同晶型的MnO?納米顆粒。當(dāng)溫度在180-200℃時(shí)，可能生成粒徑較小、分散性較好的MnO?納米顆粒；而溫度過高，如超過220℃，MnO?納米顆?？赡軙?huì)團(tuán)聚長大，影響復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和性能。溫度對(duì)產(chǎn)物性能的影響也不容忽視。在光催化性能方面，以TiO?/g-C?N?復(fù)合材料為例，不同制備溫度下的復(fù)合材料對(duì)光催化降解有機(jī)污染物的性能有明顯差異。在較低溫度下制備的復(fù)合材料，由于TiO?和g-C?N?的結(jié)晶度低，界面結(jié)合不緊密，光生載流子的分離和傳輸效率低，導(dǎo)致光催化活性較低。而在合適溫度下制備的復(fù)合材料，如在500℃左右通過熱縮聚法制備的TiO?/g-C?N?，TiO?與g-C?N?之間形成良好的異質(zhì)結(jié)，光生載流子能夠有效分離和傳輸，對(duì)有機(jī)污染物的降解效率明顯提高。在電學(xué)性能方面，溫度也會(huì)影響復(fù)合材料的電導(dǎo)率等性能。在制備ZnO/g-C?N?復(fù)合材料時(shí)，不同溫度下制備的材料電導(dǎo)率不同，合適的溫度能夠使ZnO與g-C?N?之間形成良好的電子傳輸通道，提高材料的電導(dǎo)率。綜合考慮，不同制備方法下過渡金屬氧化物復(fù)合石墨相氮化碳的最佳反應(yīng)溫度范圍有所不同。對(duì)于熱縮聚法，一般在500-600℃較為合適；溶劑熱法的最佳溫度范圍通常在150-250℃；化學(xué)氣相沉積法的最佳溫度范圍大概在500-800℃。3.3.2反應(yīng)時(shí)間的作用反應(yīng)時(shí)間在過渡金屬氧化物復(fù)合石墨相氮化碳（g-C?N?）的制備過程中是一個(gè)重要的參數(shù)，它與復(fù)合材料的結(jié)晶度、粒徑大小以及性能之間存在著緊密的聯(lián)系。在熱縮聚法制備g-C?N?的過程中，反應(yīng)時(shí)間對(duì)結(jié)晶度有著顯著影響。較短的反應(yīng)時(shí)間，前驅(qū)體的縮聚反應(yīng)不完全，導(dǎo)致g-C?N?的結(jié)晶度較低。以三聚氰胺為前驅(qū)體，在550℃熱縮聚反應(yīng)2小時(shí)，通過XRD分析發(fā)現(xiàn)，g-C?N?的特征衍射峰較弱，表明結(jié)晶度欠佳。隨著反應(yīng)時(shí)間延長至4小時(shí)，特征衍射峰強(qiáng)度增強(qiáng)，結(jié)晶度明顯提高。但反應(yīng)時(shí)間過長，如超過6小時(shí)，g-C?N?可能會(huì)發(fā)生過度燒結(jié)，導(dǎo)致結(jié)晶度不再提高，甚至有所下降。反應(yīng)時(shí)間還會(huì)影響復(fù)合材料中過渡金屬氧化物的粒徑大小。在溶劑熱法制備MnO?/g-C?N?復(fù)合材料時(shí)，反應(yīng)時(shí)間較短，MnO?的生長過程不完全，生成的MnO?納米顆粒粒徑較小。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為6小時(shí)時(shí)，MnO?納米顆粒的平均粒徑約為20-30納米。隨著反應(yīng)時(shí)間延長至12小時(shí)，MnO?納米顆粒有更多時(shí)間生長和團(tuán)聚，粒徑增大至50-60納米。過度延長反應(yīng)時(shí)間，可能導(dǎo)致MnO?顆粒團(tuán)聚嚴(yán)重，影響其在g-C?N?上的分散性，進(jìn)而影響復(fù)合材料的性能。反應(yīng)時(shí)間對(duì)復(fù)合材料性能的影響也十分關(guān)鍵。在光催化性能方面，以Fe?O?/g-C?N?復(fù)合材料降解有機(jī)染料羅丹明B為例，反應(yīng)時(shí)間過短，F(xiàn)e?O?在g-C?N?上的負(fù)載和復(fù)合效果不佳，光生載流子的分離和傳輸效率低，導(dǎo)致對(duì)羅丹明B的降解效率較低。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為1小時(shí)時(shí)，降解率僅為30%左右。隨著反應(yīng)時(shí)間延長至3小時(shí)，復(fù)合材料的光催化性能逐漸提高，降解率達(dá)到70%以上。但反應(yīng)時(shí)間過長，如超過5小時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致光催化劑的活性位點(diǎn)被占據(jù)或結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，降解效率不再明顯提高，甚至出現(xiàn)下降趨勢(shì)。在電學(xué)性能方面，反應(yīng)時(shí)間也會(huì)對(duì)復(fù)合材料的電導(dǎo)率等性能產(chǎn)生影響。在制備Co?O?/g-C?N?復(fù)合材料用于超級(jí)電容器電極材料時(shí)，合適的反應(yīng)時(shí)間能夠使Co?O?與g-C?N?之間形成良好的電子傳輸通道，提高材料的電導(dǎo)率和電容性能。若反應(yīng)時(shí)間過短，兩者之間的結(jié)合不緊密，電子傳輸受阻，電容性能較差；而反應(yīng)時(shí)間過長，可能會(huì)導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，同樣影響電容性能。綜合考慮，不同制備方法下過渡金屬氧化物復(fù)合石墨相氮化碳的合適反應(yīng)時(shí)間有所不同。對(duì)于熱縮聚法，反應(yīng)時(shí)間一般在3-6小時(shí)較為合適；溶劑熱法的合適反應(yīng)時(shí)間通常在8-12小時(shí)；化學(xué)氣相沉積法的合適反應(yīng)時(shí)間大概在1-3小時(shí)。3.3.3添加劑的作用添加劑在過渡金屬氧化物復(fù)合石墨相氮化碳（g-C?N?）的制備過程中起著重要作用，表面活性劑、催化劑等添加劑能夠顯著影響復(fù)合材料的制備過程和性能。表面活性劑作為添加劑，在制備過程中主要起到改善分散性和調(diào)控形貌的作用。在溶劑熱法制備TiO?/g-C?N?復(fù)合材料時(shí)，加入適量的表面活性劑如十六烷基三甲基溴化銨（CTAB），CTAB分子中的親水基團(tuán)與溶劑分子相互作用，疏水基團(tuán)則與TiO?前驅(qū)體或g-C?N?表面相互作用。這種作用使得TiO?前驅(qū)體在g-C?N?表面能夠更均勻地分散，有效防止TiO?納米顆粒的團(tuán)聚。通過透射電子顯微鏡（TEM）觀察發(fā)現(xiàn)，添加CTAB制備的TiO?/g-C?N?復(fù)合材料中，TiO?納米顆粒均勻分布在g-C?N?表面，粒徑大小較為一致，平均粒徑約為30-40納米。而未添加CTAB時(shí)，TiO?納米顆粒容易團(tuán)聚成較大的顆粒，粒徑分布不均勻，對(duì)復(fù)合材料的性能產(chǎn)生不利影響。表面活性劑還可以調(diào)控復(fù)合材料的形貌。在制備具有多孔結(jié)構(gòu)的ZnO/g-C?N?復(fù)合材料時(shí)，使用嵌段共聚物作為表面活性劑，通過控制表面活性劑的濃度和反應(yīng)條件，能夠在復(fù)合材料中形成多孔結(jié)構(gòu)。這種多孔結(jié)構(gòu)增加了復(fù)合材料的比表面積，提高了其與反應(yīng)物的接觸面積，在光催化和吸附等應(yīng)用中表現(xiàn)出更優(yōu)異的性能。催化劑作為添加劑，能夠顯著改變反應(yīng)速率和產(chǎn)物的性能。在化學(xué)氣相沉積法制備MnO?/g-C?N?復(fù)合材料時(shí)，加入適量的催化劑（如貴金屬催化劑），可以降低反應(yīng)的活化能，促進(jìn)MnO?前驅(qū)體的分解和MnO?在g-C?N?表面的沉積。在沒有催化劑的情況下，反應(yīng)需要較高的溫度和較長的時(shí)間才能進(jìn)行，且生成的MnO?顆?？赡芙Y(jié)晶度較低，與g-C?N?的結(jié)合也不夠緊密。而加入催化劑后，反應(yīng)在較低溫度下就能快速進(jìn)行，生成的MnO?納米顆粒結(jié)晶度高，與g-C?N?之間形成牢固的化學(xué)鍵，增強(qiáng)了復(fù)合材料的穩(wěn)定性和性能。在光催化性能方面，催化劑的加入可以提高復(fù)合材料的光催化活性。在制備Fe?O?/g-C?N?復(fù)合材料用于光催化降解有機(jī)污染物時(shí)，加入適量的助催化劑（如Pt納米顆粒），Pt能夠作為電子捕獲中心，促進(jìn)光生電子的轉(zhuǎn)移，有效降低光生載流子的復(fù)合率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，添加Pt助催化劑的Fe?O?/g-C?N?復(fù)合材料對(duì)有機(jī)污染物的降解效率比未添加時(shí)提高了30%以上。四、材料表征與性能測(cè)試4.1材料表征方法4.1.1X射線衍射（XRD）分析X射線衍射（XRD）分析是研究過渡金屬氧化物復(fù)合石墨相氮化碳（g-C?N?）晶體結(jié)構(gòu)、物相組成和結(jié)晶度等信息的重要手段，其原理基于X射線與晶體中原子的相互作用。當(dāng)一束X射線照射到晶體材料上時(shí)，晶體中的原子會(huì)對(duì)X射線產(chǎn)生散射作用。由于晶體中原子呈周期性排列，這些散射的X射線在某些特定方向上會(huì)發(fā)生干涉加強(qiáng)，形成衍射峰。布拉格方程（2dsinθ=nλ）是XRD分析的理論基礎(chǔ)，其中d為晶面間距，θ為衍射角，λ為X射線波長，n為衍射級(jí)數(shù)。通過測(cè)量衍射角θ，結(jié)合已知的X射線波長λ，就可以計(jì)算出晶面間距d，進(jìn)而確定晶體的結(jié)構(gòu)和物相組成。在過渡金屬氧化物復(fù)合g-C?N?的研究中，XRD分析具有重要意義。通過XRD圖譜，可以清晰地觀察到g-C?N?的特征衍射峰。g-C?N?在2θ約為13.1°和27.4°處通常會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)特征衍射峰，分別對(duì)應(yīng)于（100）晶面和（002）晶面。（100）晶面的衍射峰反映了g-C?N?層內(nèi)六元環(huán)的周期性排列，而（002）晶面的衍射峰則與g-C?N?的層間距相關(guān)。當(dāng)過渡金屬氧化物與g-C?N?復(fù)合后，XRD圖譜中除了g-C?N?的特征峰外，還會(huì)出現(xiàn)過渡金屬氧化物的特征衍射峰。對(duì)于TiO?/g-C?N?復(fù)合材料，若TiO?以銳鈦礦型存在，會(huì)在2θ約為25.3°、37.8°、48.0°等位置出現(xiàn)銳鈦礦型TiO?的特征衍射峰。通過這些特征衍射峰的位置和強(qiáng)度，可以確定過渡金屬氧化物的種類、晶體結(jié)構(gòu)以及在復(fù)合材料中的含量。XRD分析還可以用于評(píng)估復(fù)合材料的結(jié)晶度。結(jié)晶度是指材料中結(jié)晶部分所占的比例，它對(duì)材料的性能有著重要影響。結(jié)晶度較高的材料，其原子排列更加有序，通常具有更好的物理和化學(xué)性能。在XRD圖譜中，結(jié)晶度高的材料衍射峰尖銳、強(qiáng)度高，而結(jié)晶度低的材料衍射峰則相對(duì)寬化、強(qiáng)度較弱。通過計(jì)算XRD圖譜中結(jié)晶峰的積分強(qiáng)度與總強(qiáng)度的比值，可以得到材料的相對(duì)結(jié)晶度。在研究不同制備條件下的MnO?/g-C?N?復(fù)合材料時(shí)，發(fā)現(xiàn)隨著制備溫度的升高，復(fù)合材料的結(jié)晶度逐漸提高，XRD圖譜中MnO?和g-C?N?的衍射峰變得更加尖銳，這表明材料的結(jié)晶質(zhì)量得到了改善，可能會(huì)對(duì)其光催化、電學(xué)等性能產(chǎn)生積極影響。4.1.2掃描電子顯微鏡（SEM）與透射電子顯微鏡（TEM）觀察掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）是觀察過渡金屬氧化物復(fù)合石墨相氮化碳（g-C?N?）微觀形貌、顆粒大小、分布情況以及界面結(jié)構(gòu)的重要技術(shù)手段。SEM利用高能電子束掃描樣品表面，與樣品相互作用產(chǎn)生二次電子、背散射電子等信號(hào)。二次電子能夠反映樣品表面的形貌信息，其成像原理基于二次電子的產(chǎn)率與樣品表面的幾何形狀和原子序數(shù)有關(guān)。當(dāng)電子束轟擊樣品表面時(shí)，表面凸出部分產(chǎn)生的二次電子較多，在圖像中顯示為亮區(qū)；而凹陷部分產(chǎn)生的二次電子較少，顯示為暗區(qū)。通過收集和檢測(cè)這些二次電子，就可以獲得樣品表面的高分辨率圖像。在觀察TiO?/g-C?N?復(fù)合材料時(shí)，SEM圖像可以清晰地展示TiO?納米顆粒在g-C?N?表面的分布情況。若TiO?納米顆粒均勻分布在g-C?N?表面，表明兩者之間的復(fù)合效果較好；若TiO?納米顆粒出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，則可能會(huì)影響復(fù)合材料的性能。SEM還可以通過測(cè)量顆粒的尺寸和形狀，分析過渡金屬氧化物的粒徑大小和形貌特征。通過圖像處理軟件，可以對(duì)SEM圖像中的TiO?納米顆粒進(jìn)行粒徑統(tǒng)計(jì)，得到其平均粒徑和粒徑分布范圍。TEM則是將電子束穿透樣品，利用電子與樣品中原子的相互作用來獲取圖像和結(jié)構(gòu)信息。其成像原理基于電子的散射和干涉現(xiàn)象。當(dāng)電子束穿過樣品時(shí)，由于樣品不同部位的原子密度和晶體結(jié)構(gòu)不同，電子的散射程度也不同，從而在圖像中形成明暗對(duì)比。TEM具有更高的分辨率，能夠觀察到樣品的微觀結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，如晶格條紋、晶界等。在研究MnO?/g-C?N?復(fù)合材料的界面結(jié)構(gòu)時(shí)，TEM可以清晰地顯示MnO?與g-C?N?之間的界面結(jié)合情況。通過高分辨率TEM圖像，可以觀察到MnO?與g-C?N?之間是否形成了化學(xué)鍵，以及界面處的原子排列情況。Temu還可以用于分析復(fù)合材料的晶體結(jié)構(gòu)，通過選區(qū)電子衍射（SAED）技術(shù)，獲得材料的晶體學(xué)信息，如晶體的取向、晶面間距等。在對(duì)ZnO/g-C?N?復(fù)合材料進(jìn)行Temu分析時(shí)，通過SAED圖譜可以確定ZnO和g-C?N?的晶體結(jié)構(gòu)和取向關(guān)系，為深入理解復(fù)合材料的性能提供了重要依據(jù)。4.1.3X射線光電子能譜（XPS）分析X射線光電子能譜（XPS）是一種用于分析過渡金屬氧化物復(fù)合石墨相氮化碳（g-C?N?）表面元素組成、化學(xué)價(jià)態(tài)和電子結(jié)構(gòu)等信息的重要技術(shù)。其基本原理是利用X射線照射樣品，使樣品表面原子的內(nèi)層電子或價(jià)電子受到激發(fā)而發(fā)射出來，形成光電子。這些光電子具有特定的動(dòng)能，通過測(cè)量光電子的動(dòng)能，可以確定電子的結(jié)合能。結(jié)合能與原子的化學(xué)環(huán)境密切相關(guān)，不同化學(xué)狀態(tài)下的原子，其電子結(jié)合能會(huì)發(fā)生微小的變化，即化學(xué)位移。通過分析光電子的結(jié)合能和化學(xué)位移，就可以獲得樣品表面元素的種類、化學(xué)價(jià)態(tài)以及電子結(jié)構(gòu)等信息。在過渡金屬氧化物復(fù)合g-C?N?的研究中，XPS分析具有重要作用。通過XPS全譜掃描，可以確定復(fù)合材料表面存在的元素種類。在Fe?O?/g-C?N?復(fù)合材料的XPS全譜中，能夠檢測(cè)到C、N、Fe、O等元素的特征峰，表明復(fù)合材料表面存在這些元素。對(duì)特定元素進(jìn)行高分辨XPS分析，可以確定其化學(xué)價(jià)態(tài)。在Fe?O?/g-C?N?復(fù)合材料中，對(duì)Fe元素進(jìn)行高分辨XPS分析，若在結(jié)合能為710.8eV和724.2eV左右出現(xiàn)兩個(gè)特征峰，分別對(duì)應(yīng)于Fe3?的2p3/2和2p1/2軌道的電子結(jié)合能，說明復(fù)合材料中Fe以Fe3?的價(jià)態(tài)存在。XPS分析還可以研究復(fù)合材料表面的電子結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵。通過分析C、N元素的XPS譜圖，可以了解g-C?N?的電子結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵狀態(tài)。在g-C?N?中，C1s峰通常出現(xiàn)在284.8eV左右，對(duì)應(yīng)于C-N鍵；N1s峰則在398.8eV左右，對(duì)應(yīng)于sp2雜化的N原子。當(dāng)過渡金屬氧化物與g-C?N?復(fù)合后，C、N元素的XPS峰可能會(huì)發(fā)生位移，這表明復(fù)合材料表面的電子結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵發(fā)生了變化，可能會(huì)影響材料的性能。4.1.4其他表征手段拉曼光譜：拉曼光譜是一種基于光與物質(zhì)分子相互作用產(chǎn)生的非彈性散射光譜的表征技術(shù)。當(dāng)一束單色光照射到樣品上時(shí)，光子與分子發(fā)生相互作用，大部分光子會(huì)發(fā)生彈性散射，其頻率不變，這種散射稱為瑞利散射。而一小部分光子會(huì)與分子發(fā)生非彈性散射，光子的頻率會(huì)發(fā)生改變，這種散射稱為拉曼散射。拉曼散射光的頻率變化與分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)有關(guān)。在過渡金屬氧化物復(fù)合石墨相氮化碳（g-C?N?）的研究中，拉曼光譜可以用于分析材料的晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵。g-C?N?在拉曼光譜中通常會(huì)出現(xiàn)一些特征峰，如在1300-1600cm?1范圍內(nèi)的峰對(duì)應(yīng)于g-C?N?的芳香環(huán)的振動(dòng)。當(dāng)過渡金屬氧化物與g-C?N?復(fù)合后，拉曼光譜的特征峰可能會(huì)發(fā)生位移或強(qiáng)度變化，這可以反映出復(fù)合材料中化學(xué)鍵的變化和界面相互作用。在制備MnO?/g-C?N?復(fù)合材料時(shí)，拉曼光譜中MnO?的特征峰與純MnO?相比發(fā)生了位移，表明MnO?與g-C?N?之間存在相互作用，影響了MnO?的化學(xué)鍵狀態(tài)。比表面積分析（BET）：比表面積分析（BET）是基于氣體在固體表面的吸附和解吸原理來測(cè)定材料比表面積的方法。常用的BET方法是通過測(cè)量氮?dú)庠诓煌鄬?duì)壓力下在材料表面的吸附量，利用BET方程計(jì)算材料的比表面積。在過渡金屬氧化物復(fù)合g-C?N?的研究中，比表面積對(duì)材料的性能有著重要影響。較大的比表面積能夠提供更多的活性位點(diǎn)，有利于提高材料的光催化活性、吸附性能等。通過BET分析，可以了解復(fù)合材料的比表面積大小以及孔徑分布情況。在制備具有多孔結(jié)構(gòu)的ZnO/g-C?N?復(fù)合材料時(shí)，BET分析表明該復(fù)合材料具有較大的比表面積，這使得其在光催化降解有機(jī)污染物的實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出較高的活性，因?yàn)楦嗟幕钚晕稽c(diǎn)能夠吸附更多的污染物分子，促進(jìn)光催化反應(yīng)的進(jìn)行。傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）：傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）是利用紅外光與物質(zhì)分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)相互作用產(chǎn)生的吸收光譜來分析材料化學(xué)結(jié)構(gòu)的技術(shù)。不同的化學(xué)鍵和官能團(tuán)在紅外光譜中具有特定的吸收峰位置和強(qiáng)度。在過渡金屬氧化物復(fù)合g-C?N?的研究中，F(xiàn)T-IR可以用于分析材料的化學(xué)組成和化學(xué)鍵。g-C?N?在FT-IR光譜中會(huì)出現(xiàn)一些特征吸收峰，如在1200-1700cm?1范圍內(nèi)的峰對(duì)應(yīng)于C-N和C=N鍵的伸縮振動(dòng)。當(dāng)過渡金屬氧化物與g-C?N?復(fù)合后，F(xiàn)T-IR光譜中可能會(huì)出現(xiàn)新的吸收峰或原有峰的位移，這可以反映出復(fù)合材料中化學(xué)鍵的變化和新化學(xué)鍵的形成。在制備TiO?/g-C?N?復(fù)合材料時(shí)，F(xiàn)T-IR光譜中出現(xiàn)了新的吸收峰，表明TiO?與g-C?N?之間形成了新的化學(xué)鍵，這種化學(xué)鍵的形成對(duì)復(fù)合材料的性能有著重要影響。4.2性能測(cè)試4.2.1光催化性能測(cè)試光催化性能測(cè)試是評(píng)估過渡金屬氧化物復(fù)合石墨相氮化碳（g-C?N?）材料性能的重要環(huán)節(jié)，主要通過光解水制氫和降解有機(jī)污染物等實(shí)驗(yàn)來實(shí)現(xiàn)。在光解水制氫實(shí)驗(yàn)中，常用的實(shí)驗(yàn)裝置包括光反應(yīng)器、光源和氣體收集檢測(cè)系統(tǒng)。將制備好的復(fù)合材料均勻分散在含有適量犧牲劑（如甲醇、乙醇等，用于消耗光生空穴，促進(jìn)光解水反應(yīng)的進(jìn)行）的水溶液中，放入光反應(yīng)器中。以氙燈、汞燈等模擬太陽光作為光源，照射反應(yīng)體系。在光照過程中，復(fù)合材料吸收光子能量，產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì)，光生電子在催化劑表面將水還原為氫氣，而光生空穴則與犧牲劑發(fā)生反應(yīng)。產(chǎn)生的氫氣通過氣體收集裝置收集，并使用氣相色譜儀等設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)分析。通過測(cè)量一定時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生氫氣的體積或物質(zhì)的量，計(jì)算出復(fù)合材料的光解水制氫速率，以此作為評(píng)價(jià)光催化性能的關(guān)鍵指標(biāo)。光解水制氫速率的計(jì)算公式為：R=\frac{n}{t\timesm}，其中R表示光解水制氫速率（單位：μmol?h?1?g?1），n為產(chǎn)生氫氣的物質(zhì)的量（單位：μmol），t為光照時(shí)間（單位：h），m為復(fù)合材料的質(zhì)量（單位：g）。降解有機(jī)污染物實(shí)驗(yàn)也是常用的光催化性能測(cè)試方法。選擇常見的有機(jī)污染物如羅丹明B、甲基橙、苯酚等作為目標(biāo)污染物。將一定濃度的有機(jī)污染物溶液與復(fù)合材料混合，置于光反應(yīng)器中。在光照前，先將混合溶液在黑暗中攪拌一段時(shí)間，使復(fù)合材料與有機(jī)污染物達(dá)到吸附-解吸平衡，以排除吸附作用對(duì)降解效果的干擾。然后開啟光源進(jìn)行光照，每隔一定時(shí)間取少量反應(yīng)液，通過離心或過濾等方法分離出催化劑，使用紫外-可見分光光度計(jì)等設(shè)備測(cè)量反應(yīng)液中有機(jī)污染物的濃度變化。根據(jù)有機(jī)污染物濃度隨時(shí)間的變化曲線，計(jì)算出降解率和降解速率常數(shù)，以此評(píng)價(jià)復(fù)合材料的光催化降解性能。降解率的計(jì)算公式為：\eta=\frac{C_0-C_t}{C_0}\times100\%，其中\(zhòng)eta表示降解率，C_0為初始時(shí)刻有機(jī)污染物的濃度，C_t為光照時(shí)間t時(shí)有機(jī)污染物的濃度。降解速率常數(shù)可以通過對(duì)降解動(dòng)力學(xué)模型（如一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型：ln\frac{C_0}{C_t}=kt，其中k為降解速率常數(shù)）進(jìn)行擬合計(jì)算得到。4.2.2電化學(xué)性能測(cè)試電化學(xué)性能測(cè)試對(duì)于深入了解過渡金屬氧化物復(fù)合石墨相氮化碳（g-C?N?）材料在能源存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力具有重要意義，主要通過循環(huán)伏安法、充放電測(cè)試、電化學(xué)阻抗譜等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。循環(huán)伏安法（CV）是一種常用的電化學(xué)測(cè)試技術(shù)，其原理基于在工作電極和對(duì)電極之間施加一個(gè)線性變化的三角波電位，使工作電極上的活性物質(zhì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)。在測(cè)試過程中，工作電極的電位以一定的掃描速率從初始電位開始掃描，當(dāng)電位達(dá)到一定值時(shí)，電極表面的活性物質(zhì)開始發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生氧化電流；隨著電位的繼續(xù)掃描，當(dāng)電位反向時(shí)，電極表面的氧化態(tài)物質(zhì)又會(huì)發(fā)生還原反應(yīng)，產(chǎn)生還原電流。通過記錄工作電極上的電流與電位的變化關(guān)系，得到循環(huán)伏安曲線。在過渡金屬氧化物復(fù)合g-C?N?的研究中，循環(huán)伏安曲線可以提供關(guān)于材料的氧化還原特性、電極反應(yīng)的可逆性以及反應(yīng)機(jī)理等重要信息。在制備的MnO?/g-C?N?復(fù)合材料用于超級(jí)電容器電極材料的研究中，循環(huán)伏安曲線中氧化峰和還原峰的位置和電流大小可以反映出材料的電容特性和電荷存儲(chǔ)能力。充放電測(cè)試是評(píng)估材料在電池等儲(chǔ)能設(shè)備中性能的重要方法。以過渡金屬氧化物復(fù)合g-C?N?作為電極材料，與對(duì)電極、電解液等組成電化學(xué)電池體系。在充放電過程中，通過控制電流或電壓的大小，對(duì)電池進(jìn)行充電和放電操作。充電時(shí)，電極材料發(fā)生氧化反應(yīng)，存儲(chǔ)電荷；放電時(shí)，電極材料發(fā)生還原反應(yīng)，釋放電荷。通過測(cè)量充放電過程中電池的電壓、電流和時(shí)間等參數(shù)，計(jì)算出材料的比容量、充放電效率等性能指標(biāo)。比容量的計(jì)算公式為：C=\frac{I\timest}{m\times\DeltaV}，其中C表示比容量（單位：mAh?g?1），I為充放電電流（單位：A），t為充放電時(shí)間（單位：s），m為電極材料的質(zhì)量（單位：g），\DeltaV為充放電過程中的電壓變化范圍（單位：V）。在研究Co?O?/g-C?N?復(fù)合材料作為鋰離子電池電極材料時(shí)，充放電測(cè)試可以得到其首次放電比容量、循環(huán)穩(wěn)定性等重要數(shù)據(jù)，評(píng)估其在鋰離子電池中的應(yīng)用潛力。電化學(xué)阻抗譜（EIS）是一種用于研究電極過程動(dòng)力學(xué)和界面性質(zhì)的技術(shù)。其原理是在電化學(xué)體系中施加一個(gè)小幅度的正弦交流電壓信號(hào)，測(cè)量體系的阻抗隨頻率的變化關(guān)系。通過分析電化學(xué)阻抗譜圖，可以獲得材料的電荷轉(zhuǎn)移電阻、離子擴(kuò)散系數(shù)等信息。在過渡金屬氧化物復(fù)合g-C?N?的研究中，EIS可以用于研究復(fù)合材料在電極過程中的電荷傳輸和離子擴(kuò)散機(jī)制。在制備的TiO?/g-C?N?復(fù)合材料用于光電極的研究中，EIS譜圖中的半圓直徑可以反映出電荷轉(zhuǎn)移電阻的大小，半圓直徑越小，說明電荷轉(zhuǎn)移電阻越小，材料的電荷傳輸性能越好。4.2.3吸附性能測(cè)試吸附性能測(cè)試對(duì)于評(píng)估過渡金屬氧化物復(fù)合石墨相氮化碳（g-C?N?）材料在環(huán)境治理等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力具有重要意義，主要通過吸附重金屬離子和有機(jī)染料等實(shí)驗(yàn)來實(shí)現(xiàn)。在吸附重金屬離子實(shí)驗(yàn)中，通常選擇常見的重金屬離子如鉛離子（Pb2?）、鎘離子（Cd2?）、汞離子（Hg2?）等作為研究對(duì)象。將一定量的復(fù)合材料加入到含有重金屬離子的溶液中，溶液的初始濃度和體積需精確控制。在恒溫條件下，通過磁力攪拌或振蕩等方式使復(fù)合材料與重金屬離子溶液充分接觸。每隔一定時(shí)間取少量溶液，通過原子吸收光譜儀（AAS）、電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS）等設(shè)備測(cè)量溶液中重金屬離子的濃度變化。根據(jù)吸附前后重金屬離子濃度的變化，計(jì)算出復(fù)合材料對(duì)重金屬離子的吸附量和吸附率。吸附量的計(jì)算公式為：q=\frac{(C_0-C_t)\timesV}{m}，其中q表示吸附量（單位：mg?g?1），C_0為初始時(shí)刻重金屬離子的濃度（單位：mg?L?1），C_t為吸附時(shí)間t時(shí)重金屬離子的濃度（單位：mg?L?1），V為溶液的體積（單位：L），m為復(fù)合材料的質(zhì)量（單位：g）。吸附率的計(jì)算公式為：\eta=\frac{C_0-C_t}{C_0}\times100\%。復(fù)合材料的吸附性能受到多種因素的影響，如復(fù)合材料的比表面積、表面官能團(tuán)、溶液的pH值、溫度等。較大的比表面積能夠提供更多的吸附位點(diǎn)，有利于提高吸附量。表面官能團(tuán)與重金屬離子之間的相互作用也會(huì)影響吸附效果，如g-C?N?表面的氮原子可以與重金屬離子形成配位鍵，增強(qiáng)吸附能力。溶液的pH值會(huì)影響重金屬離子的存在形態(tài)和復(fù)合材料表面的電荷性質(zhì)，從而影響吸附性能。在酸性條件下，重金屬離子可能以陽離子形式存在，而復(fù)合材料表面可能帶正電荷，靜電排斥作用會(huì)降低吸附效果；在堿性條件下，重金屬離子可能形成氫氧化物沉淀，影響吸附過程。吸附有機(jī)染料實(shí)驗(yàn)也是常用的吸附性能測(cè)試方法。選擇常見的有機(jī)染料如亞甲基藍(lán)、剛果紅等作為目標(biāo)吸附物。實(shí)驗(yàn)過程與吸附重金屬離子類似，將復(fù)合材料與有機(jī)染料溶液混合，在一定條件下進(jìn)行吸附反應(yīng)，通過紫外-可見分光光度計(jì)測(cè)量溶液中有機(jī)染料濃度的變化，計(jì)算吸附量和吸附率。有機(jī)染料的分子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)會(huì)影響吸附效果，如分子大小、電荷性質(zhì)等。復(fù)合材料與有機(jī)染料之間的相互作用包括物理吸附和化學(xué)吸附，物理吸附主要基于范德華力，化學(xué)吸附則涉及化學(xué)鍵的形成。通過改變實(shí)驗(yàn)條件，如溫度、pH值等，可以研究這些因素對(duì)吸附性能的影響，深入了解吸附機(jī)理。4.2.4穩(wěn)定性測(cè)試穩(wěn)定性測(cè)試是評(píng)估過渡金屬氧化物復(fù)合石墨相氮化碳（g-C?N?）材料在實(shí)際應(yīng)用中可靠性和耐久性的重要環(huán)節(jié)，主要通過多次循環(huán)實(shí)驗(yàn)和長期放置實(shí)驗(yàn)等方法來實(shí)現(xiàn)。多次循環(huán)實(shí)驗(yàn)是測(cè)試材料穩(wěn)定性的常用方法之一。在光催化性能測(cè)試中，進(jìn)行多次循環(huán)的光解水制氫或降解有機(jī)污染物實(shí)驗(yàn)。以光催化降解有機(jī)污染物為例，在完成一次降解實(shí)驗(yàn)后，將復(fù)合材料從反應(yīng)體系中分離出來，通過離心、洗滌、干燥等處理后，再次投入到相同條件的有機(jī)污染物溶液中進(jìn)行下一次降解實(shí)驗(yàn)。重復(fù)進(jìn)行多次循環(huán)實(shí)驗(yàn)，記錄每次循環(huán)實(shí)驗(yàn)中有機(jī)污染物的降解率。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，如果降解率保持相對(duì)穩(wěn)定，說明復(fù)合材料具有較好的光催化穩(wěn)定性；若降解率逐漸下降，則表明復(fù)合材料在循環(huán)使用過程中可能發(fā)生了結(jié)構(gòu)變化、活性位點(diǎn)失活等問題，導(dǎo)致光催化性能下降。在研究MnO?/g-C?N?復(fù)合材料的光催化穩(wěn)定性時(shí)，經(jīng)過10次循環(huán)降解羅丹明