基于g-C?N?的光制氫催化劑：從設(shè)計(jì)、制備到性能優(yōu)化的深度探索一、引言1.1研究背景與意義隨著全球工業(yè)化進(jìn)程的不斷加速，能源資源短缺與環(huán)境惡化等問(wèn)題日益突出，成為了威脅人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)化石能源如煤炭、石油和天然氣，在人類社會(huì)的發(fā)展進(jìn)程中扮演了關(guān)鍵角色，然而，這些不可再生能源的儲(chǔ)量有限，且隨著不斷的開采和消耗，正面臨著日益枯竭的困境。國(guó)際能源署（IEA）的相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，按照當(dāng)前的能源消耗速度，全球石油儲(chǔ)量預(yù)計(jì)僅能維持?jǐn)?shù)十年，煤炭和天然氣的供應(yīng)也同樣面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。與此同時(shí)，大量使用化石能源所帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題也愈發(fā)嚴(yán)重。化石能源燃燒會(huì)釋放出大量的溫室氣體，如二氧化碳（CO_2）、甲烷（CH_4）等，這些氣體在大氣中的濃度不斷增加，導(dǎo)致全球氣候變暖，引發(fā)了一系列諸如冰川融化、海平面上升、極端氣候事件增多等環(huán)境問(wèn)題，嚴(yán)重威脅著人類的生存和發(fā)展。此外，化石能源燃燒還會(huì)產(chǎn)生氮氧化物（NO_x）、硫氧化物（SO_x）和顆粒物等污染物，這些污染物會(huì)導(dǎo)致空氣質(zhì)量惡化，引發(fā)霧霾、酸雨等環(huán)境問(wèn)題，對(duì)人類健康和生態(tài)系統(tǒng)造成極大的危害。據(jù)世界衛(wèi)生組織（WHO）的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，每年因空氣污染導(dǎo)致的死亡人數(shù)高達(dá)數(shù)百萬(wàn)。為了應(yīng)對(duì)能源短缺和環(huán)境惡化的緊迫挑戰(zhàn)，開發(fā)清潔、可持續(xù)的新能源已成為全球共識(shí)和研究熱點(diǎn)。在眾多新能源技術(shù)中，光催化制氫技術(shù)作為一種具有巨大潛力的清潔能源生產(chǎn)方式，受到了廣泛的關(guān)注。光催化制氫是利用光催化劑在光照條件下將水分解為氫氣和氧氣的過(guò)程，其反應(yīng)原理基于半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng)。當(dāng)具有合適能量的光子照射到半導(dǎo)體光催化劑表面時(shí)，半導(dǎo)體內(nèi)部的電子會(huì)被激發(fā)，從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，從而在價(jià)帶留下空穴，形成光生電子-空穴對(duì)。這些光生電子-空穴對(duì)具有較強(qiáng)的氧化還原能力，能夠分別與水發(fā)生反應(yīng)，將水分解為氫氣和氧氣。光催化制氫過(guò)程直接利用太陽(yáng)能，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存在氫氣中，具有零碳排放、環(huán)境友好、可持續(xù)等優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展和解決環(huán)境問(wèn)題的理想途徑之一。氫氣作為一種清潔能源載體，具有能量密度高、燃燒產(chǎn)物無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，被視為未來(lái)能源體系的重要組成部分。若能實(shí)現(xiàn)高效的光催化制氫，將為解決全球能源危機(jī)和環(huán)境問(wèn)題提供有力的支持。在光催化制氫領(lǐng)域，尋找高效、穩(wěn)定且低成本的光催化劑是實(shí)現(xiàn)該技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵。石墨相氮化碳（g-C_3N_4）作為一種新型的非金屬有機(jī)光催化劑，因其獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)，在近年來(lái)受到了科學(xué)界的廣泛關(guān)注。g-C_3N_4具有類似于石墨的層狀結(jié)構(gòu)，由三-s-三嗪環(huán)通過(guò)共價(jià)鍵相互連接而成，形成了高度共軛的π電子體系。這種結(jié)構(gòu)賦予了g-C_3N_4良好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，使其在大多數(shù)溶劑中都能保持穩(wěn)定，并且能夠承受較高的溫度。g-C_3N_4還具有合適的能帶結(jié)構(gòu)，其禁帶寬度約為2.7eV，能夠吸收波長(zhǎng)小于450nm的可見(jiàn)光，從而在可見(jiàn)光照射下表現(xiàn)出光催化活性。與傳統(tǒng)的光催化劑如二氧化鈦（TiO_2）相比，g-C_3N_4不僅具有成本低、制備簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，還突破了TiO_2等傳統(tǒng)催化劑在光吸收范圍上的局限，在可見(jiàn)光下顯示出高效光催化反應(yīng)的潛力。g-C_3N_4的富氮性質(zhì)和路易斯堿性位點(diǎn)有利于二氧化碳的吸附和活化，其二維結(jié)構(gòu)也有利于電子轉(zhuǎn)移到表面吸附位點(diǎn)，從而促進(jìn)二氧化碳的還原反應(yīng)，在二氧化碳還原等領(lǐng)域也具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。盡管g-C_3N_4具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)際應(yīng)用中，其光催化活性仍受到一些因素的限制。g-C_3N_4存在可見(jiàn)光吸收不足的問(wèn)題，其對(duì)可見(jiàn)光的吸收效率相對(duì)較低，無(wú)法充分利用太陽(yáng)能中的可見(jiàn)光部分。g-C_3N_4的光生載流子傳輸動(dòng)力緩慢，光生電子-空穴對(duì)在體相和表面容易發(fā)生嚴(yán)重復(fù)合，導(dǎo)致其光生載流子的分離效率較低，大量的光生載流子在復(fù)合過(guò)程中損失了能量，無(wú)法有效地參與光催化反應(yīng)，從而限制了其光催化性能的進(jìn)一步提高。g-C_3N_4的比表面積相對(duì)較小，活性位點(diǎn)有限，也在一定程度上影響了其光催化活性。這些問(wèn)題限制了g-C_3N_4在光催化制氫、二氧化碳還原反應(yīng)（CRR）、氮?dú)膺€原反應(yīng)（NRR）、光陰極保護(hù)（PCP）、污染物去除以及氧析出反應(yīng)（OER）等領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用。為了克服g-C_3N_4的這些局限性，提高其光催化性能，眾多研究者開展了大量的研究工作，探索了各種有效的改性策略。通過(guò)結(jié)構(gòu)調(diào)整，改變g-C_3N_4的孔隙結(jié)構(gòu)、能帶結(jié)構(gòu)等，以提高其比表面積和光吸收性能；采用元素?fù)诫s的方法，引入其他元素（如硫、磷、氮、硼等）對(duì)g-C_3N_4進(jìn)行摻雜，調(diào)節(jié)其光譜響應(yīng)范圍和電子傳輸能力；將g-C_3N_4與其他光催化劑或助催化劑進(jìn)行復(fù)合，構(gòu)建異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，利用不同材料之間的協(xié)同作用，提高光催化效率和穩(wěn)定性；通過(guò)缺陷工程，在g-C_3N_4基體中引入雜質(zhì)或者改變?cè)优帕兄芷谛裕纳破潆娮幽軒ЫY(jié)構(gòu)、光學(xué)性質(zhì)和導(dǎo)電性。這些改性策略在一定程度上提高了g-C_3N_4的光催化性能，但目前仍存在一些問(wèn)題和挑戰(zhàn)，如改性方法的復(fù)雜性、成本較高、對(duì)光催化機(jī)理的理解不夠深入等，需要進(jìn)一步深入研究和探索。深入研究基于g-C_3N_4的光制氫催化劑具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。從理論研究角度來(lái)看，通過(guò)對(duì)g-C_3N_4的結(jié)構(gòu)、電子性質(zhì)以及光催化反應(yīng)機(jī)理的深入研究，可以進(jìn)一步揭示光催化過(guò)程中的基本物理化學(xué)原理，為光催化劑的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。這有助于我們深入理解光生載流子的產(chǎn)生、傳輸、分離和復(fù)合等過(guò)程，以及這些過(guò)程與光催化劑結(jié)構(gòu)和性能之間的內(nèi)在聯(lián)系，從而為開發(fā)新型高效的光催化劑提供指導(dǎo)。從實(shí)際應(yīng)用角度來(lái)看，開發(fā)高效的g-C_3N_4基光制氫催化劑，有望推動(dòng)光催化制氫技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，為解決全球能源危機(jī)和環(huán)境問(wèn)題提供新的途徑和方法。若能實(shí)現(xiàn)g-C_3N_4基光催化劑在光催化制氫方面的高效應(yīng)用，將有助于減少對(duì)傳統(tǒng)化石能源的依賴，降低溫室氣體排放，促進(jìn)能源的可持續(xù)發(fā)展，對(duì)人類社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步具有深遠(yuǎn)的意義。本研究旨在通過(guò)對(duì)g-C_3N_4進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)和制備，采用有效的改性策略，提高其光催化制氫性能，并深入研究其光催化反應(yīng)機(jī)理，為g-C_3N_4基光催化劑的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用提供理論支持和實(shí)踐指導(dǎo)。1.2g-C?N?光制氫催化劑研究現(xiàn)狀自g-C_3N_4被發(fā)現(xiàn)可用于光催化產(chǎn)氫以來(lái)，其在光制氫領(lǐng)域的研究取得了顯著進(jìn)展。在設(shè)計(jì)方面，研究者們圍繞提升g-C_3N_4光催化性能，從多個(gè)維度進(jìn)行探索。通過(guò)結(jié)構(gòu)調(diào)整改變其孔隙結(jié)構(gòu)、能帶結(jié)構(gòu)等，是常見(jiàn)的設(shè)計(jì)思路。有研究利用模板法成功制備出具有介孔結(jié)構(gòu)的g-C_3N_4，有效增大了比表面積，使得光吸收性能顯著提升，進(jìn)而提高了光催化制氫效率。通過(guò)元素?fù)诫s引入其他元素（如硫、磷、氮、硼等），也成為優(yōu)化g-C_3N_4性能的重要策略。摻雜能夠調(diào)節(jié)其光譜響應(yīng)范圍和電子傳輸能力，如ShaoqiHou等人通過(guò)對(duì)g-C_3N_4進(jìn)行氮摻雜，成功在禁帶中引入新的缺陷能級(jí)，優(yōu)化了電子結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了可見(jiàn)光吸收和電荷分離效率，使光催化產(chǎn)氫速率大幅提高。復(fù)合其他材料構(gòu)建異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，也是提升g-C_3N_4光催化性能的有效手段。將g-C_3N_4與二氧化鈦（TiO_2）復(fù)合，利用兩者之間的協(xié)同作用，有效抑制了光生載流子的復(fù)合，提高了光催化制氫的效率和穩(wěn)定性。在制備方法上，g-C_3N_4基光催化劑的制備主要采用化學(xué)法。以尿素、硫脲等為原料，通過(guò)高溫煅燒是獲得g-C_3N_4前驅(qū)體的常見(jiàn)方法。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)化學(xué)方法實(shí)現(xiàn)元素?fù)诫s或與其他材料進(jìn)行復(fù)合，進(jìn)而制備出性能更優(yōu)的光催化劑。在后續(xù)處理環(huán)節(jié)，對(duì)制備得到的g-C_3N_4基光催化劑進(jìn)行洗滌、干燥等操作，以提高其純度和穩(wěn)定性。溶劑熱法、模板法、水熱法等特殊制備方法也逐漸受到關(guān)注，這些方法能夠通過(guò)控制反應(yīng)條件，如溫度、壓力、反應(yīng)物濃度等，精確調(diào)整g-C_3N_4的形態(tài)、粒徑和結(jié)構(gòu)等特性，進(jìn)一步改善其光催化性能。在性能研究方面，科研人員從多個(gè)角度對(duì)g-C_3N_4基光催化劑的產(chǎn)氫性能進(jìn)行深入探究。設(shè)置不同光源、光照強(qiáng)度、濃度反應(yīng)物等實(shí)驗(yàn)條件，系統(tǒng)探究g-C_3N_4基光催化劑在不同條件下的產(chǎn)氫性能。通過(guò)測(cè)量產(chǎn)氫速率、量子效率等關(guān)鍵指標(biāo)，全面評(píng)價(jià)其產(chǎn)氫性能。華南農(nóng)業(yè)大材料與能源學(xué)院教授張聲森和方岳平團(tuán)隊(duì)聯(lián)合廣東工業(yè)大學(xué)教授張山青團(tuán)隊(duì)開發(fā)的Ni/NiOx@C/g-C_3N_4復(fù)合光催化劑，通過(guò)多晶轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的Jahn-Teller效應(yīng)生成高密度氧空穴和鎳空穴，構(gòu)成路易斯酸堿對(duì)催化活性位點(diǎn)，有效降低了水吸附和分裂的能量壁壘，實(shí)現(xiàn)了10.7mmolg^{-1}h^{-1}高效的光催化制氫性能，在380nm的AQY值達(dá)到了40.78%。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)g-C_3N_4基光催化劑進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整、元素?fù)诫s或與其他材料復(fù)合等優(yōu)化措施，不斷提高其產(chǎn)氫性能。盡管目前g-C_3N_4光制氫催化劑的研究取得了一定成果，但仍存在諸多問(wèn)題亟待解決。在可見(jiàn)光吸收方面，盡管通過(guò)一些改性策略有所改善，但整體的可見(jiàn)光吸收效率仍有待進(jìn)一步提高，無(wú)法充分利用太陽(yáng)能中的可見(jiàn)光部分，限制了光催化制氫效率的進(jìn)一步提升。光生載流子的傳輸和分離效率問(wèn)題依然突出，光生電子-空穴對(duì)在體相和表面容易發(fā)生嚴(yán)重復(fù)合，導(dǎo)致大量光生載流子在復(fù)合過(guò)程中損失能量，無(wú)法有效參與光催化反應(yīng)，這是制約g-C_3N_4光催化性能提升的關(guān)鍵因素之一。部分改性策略雖然能夠提高g-C_3N_4的光催化性能，但往往伴隨著制備方法復(fù)雜、成本較高等問(wèn)題，不利于大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用。對(duì)g-C_3N_4光催化反應(yīng)機(jī)理的理解還不夠深入，一些改性策略的作用機(jī)制尚不完全明確，這為進(jìn)一步優(yōu)化g-C_3N_4光催化劑的性能帶來(lái)了困難。1.3研究?jī)?nèi)容與創(chuàng)新點(diǎn)本研究圍繞基于g-C_3N_4的光制氫催化劑展開，在設(shè)計(jì)、制備及性能研究等方面開展了一系列工作，旨在解決g-C_3N_4在光催化制氫應(yīng)用中存在的問(wèn)題，提高其光催化性能，為該領(lǐng)域的發(fā)展提供新的思路和方法。在設(shè)計(jì)方面，本研究從多個(gè)角度對(duì)g-C_3N_4進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。采用缺陷工程，通過(guò)精確控制合成條件，如調(diào)整前驅(qū)體類型、反應(yīng)模板以及退火條件（包括熱解氣氛、加熱速率、退火時(shí)間和壓力等），在g-C_3N_4基體中引入特定類型和濃度的缺陷，如C空位、N空位、非金屬摻雜（如C、P、S、O、B和F等雜原子）以及金屬摻雜等，以優(yōu)化其電子能帶結(jié)構(gòu)、光學(xué)性質(zhì)和導(dǎo)電性。通過(guò)調(diào)控缺陷的類型和濃度，期望實(shí)現(xiàn)對(duì)g-C_3N_4光吸收性能、光生載流子傳輸和分離效率的有效提升，從而提高其光催化制氫活性。引入N空位的g-C_3N_4能夠增強(qiáng)可見(jiàn)光吸收，促進(jìn)光生載流子的分離和傳輸。本研究還致力于構(gòu)建異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，選擇合適的半導(dǎo)體材料或助催化劑與g-C_3N_4進(jìn)行復(fù)合，如將g-C_3N_4與具有合適能帶結(jié)構(gòu)的二氧化鈦（TiO_2）、硫化鎘（CdS）等半導(dǎo)體材料復(fù)合，利用不同材料之間的能帶匹配和協(xié)同作用，有效抑制光生載流子的復(fù)合，提高光催化效率和穩(wěn)定性。通過(guò)理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，深入研究異質(zhì)結(jié)界面處的電荷轉(zhuǎn)移機(jī)制和光催化反應(yīng)機(jī)理，為異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。在制備方法上，本研究在傳統(tǒng)高溫煅燒法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)創(chuàng)新。優(yōu)化高溫煅燒過(guò)程中的參數(shù)，精確控制溫度、升溫速率、保溫時(shí)間等，以獲得結(jié)晶度高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的g-C_3N_4前驅(qū)體。探索新型制備技術(shù)，如原位合成技術(shù)、溶膠-凝膠法、溶劑熱法、模板法、水熱法等，通過(guò)這些方法精確控制g-C_3N_4的形態(tài)、粒徑和結(jié)構(gòu)等特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)的精細(xì)調(diào)控。采用模板法制備具有介孔結(jié)構(gòu)的g-C_3N_4，增大其比表面積，提高光吸收性能和活性位點(diǎn)數(shù)量；利用溶膠-凝膠法制備的g-C_3N_4具有更好的均勻性和分散性，有利于光生載流子的傳輸和分離。在制備過(guò)程中，注重對(duì)反應(yīng)條件的嚴(yán)格控制，確保制備出的g-C_3N_4基光催化劑具有良好的重復(fù)性和穩(wěn)定性。在性能提升策略方面，本研究綜合考慮多種因素，全面提升g-C_3N_4基光催化劑的光催化制氫性能。系統(tǒng)研究不同制備條件下g-C_3N_4基光催化劑的光催化制氫性能，通過(guò)設(shè)置不同光源、光照強(qiáng)度、反應(yīng)物濃度等實(shí)驗(yàn)條件，探究其在不同條件下的產(chǎn)氫性能變化規(guī)律。采用多種表征手段，如X射線衍射（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、X射線光電子能譜（XPS）、紫外-可見(jiàn)漫反射光譜（UV-VisDRS）、光致發(fā)光光譜（PL）、電化學(xué)阻抗譜（EIS）等，對(duì)催化劑的結(jié)構(gòu)、形貌、組成、光學(xué)性質(zhì)和電學(xué)性質(zhì)等進(jìn)行全面表征，深入分析催化劑結(jié)構(gòu)與性能之間的內(nèi)在聯(lián)系，為性能優(yōu)化提供依據(jù)?；趯?shí)驗(yàn)結(jié)果和表征分析，對(duì)g-C_3N_4基光催化劑進(jìn)行針對(duì)性的優(yōu)化，通過(guò)調(diào)整缺陷類型和濃度、優(yōu)化異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)、改進(jìn)制備工藝等措施，不斷提高其光催化制氫性能，如提高產(chǎn)氫速率、量子效率等關(guān)鍵指標(biāo)。本研究的創(chuàng)新點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。在設(shè)計(jì)理念上，提出了一種基于缺陷工程和異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)協(xié)同作用的g-C_3N_4光催化劑設(shè)計(jì)新思路，通過(guò)精確調(diào)控缺陷和異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)g-C_3N_4光催化性能的多維度優(yōu)化，這種協(xié)同設(shè)計(jì)策略在以往的研究中較少涉及，有望為g-C_3N_4光催化劑的設(shè)計(jì)提供新的方向。在制備方法上，將多種新型制備技術(shù)有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)g-C_3N_4微觀結(jié)構(gòu)的精確控制，制備出具有特殊結(jié)構(gòu)和性能的g-C_3N_4基光催化劑，為g-C_3N_4基光催化劑的制備提供了新的方法和技術(shù)支持。在性能提升策略方面，本研究不僅僅關(guān)注光催化制氫性能的提高，還深入研究了光催化反應(yīng)機(jī)理，通過(guò)理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)表征相結(jié)合的方法，揭示了缺陷、異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)等因素對(duì)光生載流子產(chǎn)生、傳輸、分離和復(fù)合過(guò)程的影響機(jī)制，為g-C_3N_4基光催化劑的性能優(yōu)化提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，這種理論與實(shí)踐相結(jié)合的研究方法有助于深入理解光催化過(guò)程，推動(dòng)光催化領(lǐng)域的理論發(fā)展。二、g-C?N?光制氫催化劑設(shè)計(jì)原理2.1g-C?N?結(jié)構(gòu)與光催化制氫原理g-C?N?是一種具有類石墨烯結(jié)構(gòu)的二維片層狀聚合物半導(dǎo)體材料，其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)賦予了它優(yōu)異的光催化性能。在晶體結(jié)構(gòu)方面，g-C?N?擁有兩種基本單元，分別是以三嗪環(huán)（C_3N_3）和3-s-三嗪環(huán)（C_6N_7）為基本結(jié)構(gòu)單元，這些結(jié)構(gòu)單元通過(guò)共價(jià)鍵相互連接，無(wú)限延伸形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，二維納米片層間則通過(guò)范德華力結(jié)合。Kroke等學(xué)者運(yùn)用密度泛函理論（DFT）計(jì)算表明，3-s-三嗪環(huán)結(jié)構(gòu)連接而成的g-C?N?相較于三嗪環(huán)結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定。這種穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)為g-C?N?的光催化性能提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。從電子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來(lái)看，g-C?N?結(jié)構(gòu)中的C、N原子以sp^2雜化形成高度離域的π共軛體系。其中N的p_z軌道組成g-C?N?的最高占據(jù)分子軌道（HOMO），C的p_z軌道組成最低未占據(jù)分子軌道（LUMO），其禁帶寬度約為2.7eV，這使得g-C?N?能夠吸收太陽(yáng)光譜中波長(zhǎng)小于475nm的藍(lán)紫光。合適的禁帶寬度以及獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)，使g-C?N?具備了光催化反應(yīng)的基本條件。當(dāng)g-C?N?受到能量大于其禁帶寬度的光照射時(shí)，價(jià)帶上的電子會(huì)吸收光子能量，被激發(fā)躍遷到導(dǎo)帶，從而在價(jià)帶留下空穴，形成光生電子-空穴對(duì)。這個(gè)過(guò)程可以用以下公式表示：g-C_3N_4+h\nu\rightarrowe^-_{CB}+h^+_{VB}，其中h\nu表示光子能量，e^-_{CB}表示導(dǎo)帶上的光生電子，h^+_{VB}表示價(jià)帶上的光生空穴。光生電子-空穴對(duì)形成后，它們會(huì)參與水分解制氫反應(yīng)。導(dǎo)帶上的光生電子具有較強(qiáng)的還原性，能夠與水中的質(zhì)子（H^+）發(fā)生反應(yīng)，生成氫氣（H_2）。其反應(yīng)過(guò)程如下：2H^++2e^-\rightarrowH_2。價(jià)帶上的光生空穴具有強(qiáng)氧化性，能夠?qū)⑺趸裳鯕猓∣_2）和質(zhì)子，反應(yīng)方程式為：2H_2O+4h^+\rightarrowO_2+4H^+?？偡磻?yīng)式為：2H_2O\xrightarrow{g-C_3N_4+h\nu}2H_2+O_2，這便是g-C?N?光催化分解水制氫的基本過(guò)程。然而，在實(shí)際的光催化過(guò)程中，光生電子-空穴對(duì)存在多種可能的衰減途徑。部分光生電子-空穴對(duì)可能會(huì)在g-C?N?內(nèi)部或表面發(fā)生復(fù)合，以熱能或光子的形式釋放能量，從而降低了光催化效率。光生載流子在傳輸過(guò)程中也可能會(huì)受到材料內(nèi)部缺陷、雜質(zhì)以及界面等因素的影響，導(dǎo)致傳輸效率降低。如何抑制光生電子-空穴對(duì)的復(fù)合，提高光生載流子的傳輸效率，成為了提高g-C?N?光催化制氫性能的關(guān)鍵問(wèn)題，這也促使科研人員不斷探索各種改性策略來(lái)優(yōu)化g-C?N?的性能。2.2影響g-C?N?光催化性能的因素分析g-C?N?的光催化性能受到多種因素的綜合影響，深入研究這些因素對(duì)于優(yōu)化其性能具有重要意義。這些影響因素可分為內(nèi)部因素和外部因素兩個(gè)方面，下面將分別從這兩個(gè)角度進(jìn)行詳細(xì)分析。2.2.1內(nèi)部因素比表面積：比表面積是影響g-C?N?光催化性能的關(guān)鍵內(nèi)部因素之一。較大的比表面積能夠提供更多的活性位點(diǎn)，增加光催化劑與反應(yīng)物之間的接觸面積，從而提高光催化反應(yīng)的效率。研究表明，具有介孔結(jié)構(gòu)的g-C?N?比表面積顯著增大，其光催化制氫性能也得到了明顯提升。通過(guò)模板法制備的介孔g-C?N?，其比表面積可達(dá)到傳統(tǒng)g-C?N?的數(shù)倍，在光催化制氫實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出更高的產(chǎn)氫速率。這是因?yàn)榻榭捉Y(jié)構(gòu)增加了材料的比表面積，使得更多的光生載流子能夠到達(dá)催化劑表面參與反應(yīng)，減少了光生載流子的復(fù)合幾率，從而提高了光催化效率。然而，比表面積并非越大越好，當(dāng)比表面積過(guò)大時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致材料的結(jié)晶度下降，進(jìn)而影響光生載流子的傳輸效率，對(duì)光催化性能產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，在優(yōu)化g-C?N?的比表面積時(shí)，需要綜合考慮材料的結(jié)晶度、光生載流子傳輸?shù)纫蛩?，以達(dá)到最佳的光催化性能。光生載流子復(fù)合率：光生載流子復(fù)合率是制約g-C?N?光催化性能的重要因素。在光催化過(guò)程中，光生電子-空穴對(duì)的復(fù)合會(huì)導(dǎo)致能量損失，降低光催化效率。g-C?N?的π共軛平面結(jié)構(gòu)使脫域的光生電荷在平面內(nèi)隨機(jī)轉(zhuǎn)移，且層間的弱范德瓦爾斯相互作用導(dǎo)致層間電荷傳輸不利，使得光生載流子分離效率較低，容易發(fā)生復(fù)合。有研究表明，引入缺陷或進(jìn)行元素?fù)诫s可以改變g-C?N?的電子結(jié)構(gòu)，從而抑制光生載流子的復(fù)合。引入C空位可以打破g-C?N?的結(jié)構(gòu)對(duì)稱性，留下未配對(duì)電子，形成電荷脫域，加速光生載流子的分離。通過(guò)在g-C?N?中摻雜S元素，S的引入改變了g-C?N?的電子云分布，使得光生電子-空穴對(duì)的復(fù)合得到有效抑制，從而提高了光催化活性。構(gòu)建異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)也是抑制光生載流子復(fù)合的有效方法。將g-C?N?與其他半導(dǎo)體材料復(fù)合形成異質(zhì)結(jié)，利用不同材料之間的能帶差異，促進(jìn)光生載流子的轉(zhuǎn)移和分離，降低復(fù)合率。能帶結(jié)構(gòu)：能帶結(jié)構(gòu)對(duì)g-C?N?的光催化性能起著決定性作用。g-C?N?的禁帶寬度約為2.7eV，決定了其對(duì)光的吸收范圍和光生載流子的產(chǎn)生能力。合適的禁帶寬度能夠使g-C?N?在可見(jiàn)光照射下產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì)，但如果禁帶寬度過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致光吸收范圍變窄，無(wú)法充分利用太陽(yáng)能；而禁帶寬度過(guò)小，則會(huì)使光生載流子的氧化還原能力降低，影響光催化反應(yīng)的進(jìn)行。通過(guò)元素?fù)诫s或結(jié)構(gòu)調(diào)整，可以改變g-C?N?的能帶結(jié)構(gòu)，優(yōu)化其光催化性能。研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)g-C?N?進(jìn)行N摻雜，能夠在禁帶中引入新的缺陷能級(jí)，使g-C?N?的光吸收范圍向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向拓展，增強(qiáng)了對(duì)可見(jiàn)光的吸收能力，同時(shí)優(yōu)化了電子結(jié)構(gòu)，提高了光生載流子的分離和傳輸效率，從而提升了光催化制氫性能。調(diào)控g-C?N?的微觀結(jié)構(gòu)，如改變其晶體結(jié)構(gòu)、層間距等，也會(huì)對(duì)能帶結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響光催化性能。減小g-C?N?的層間距，可以促進(jìn)層間電荷轉(zhuǎn)移，提高光生載流子的傳輸效率，有利于光催化反應(yīng)的進(jìn)行。2.2.2外部因素反應(yīng)體系的溫度：反應(yīng)體系的溫度對(duì)g-C?N?光催化性能有顯著影響。溫度主要通過(guò)影響反應(yīng)速率和光生載流子的復(fù)合率來(lái)影響光催化性能。在一定溫度范圍內(nèi)，升高溫度可以加快反應(yīng)速率，因?yàn)闇囟壬邥?huì)增加反應(yīng)物分子的熱運(yùn)動(dòng)，使反應(yīng)物分子更容易與催化劑表面的活性位點(diǎn)接觸，從而促進(jìn)光催化反應(yīng)的進(jìn)行。溫度過(guò)高也會(huì)帶來(lái)一些負(fù)面影響。溫度升高會(huì)加劇光生載流子的熱運(yùn)動(dòng)，增加光生電子-空穴對(duì)的復(fù)合幾率，導(dǎo)致光催化效率下降。高溫還可能會(huì)引起催化劑結(jié)構(gòu)的變化，如晶體結(jié)構(gòu)的改變、表面活性位點(diǎn)的失活等，從而影響光催化性能的穩(wěn)定性。有研究表明，在光催化制氫反應(yīng)中，當(dāng)反應(yīng)溫度從25℃升高到50℃時(shí)，光催化制氫速率有所增加，但當(dāng)溫度繼續(xù)升高到70℃時(shí)，由于光生載流子復(fù)合加劇，光催化制氫速率反而下降。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定最佳的反應(yīng)溫度，以平衡反應(yīng)速率和光生載流子復(fù)合率的關(guān)系，獲得最佳的光催化性能。pH值：反應(yīng)體系的pH值是影響g-C?N?光催化性能的另一個(gè)重要外部因素。pH值的變化會(huì)影響反應(yīng)物和產(chǎn)物在催化劑表面的吸附和脫附行為，以及光生載流子的轉(zhuǎn)移過(guò)程，從而對(duì)光催化性能產(chǎn)生影響。在酸性條件下，溶液中的H?濃度較高，可能會(huì)與光生電子結(jié)合，促進(jìn)氫氣的生成，但同時(shí)也可能會(huì)對(duì)催化劑表面的活性位點(diǎn)產(chǎn)生影響，導(dǎo)致催化劑失活。在堿性條件下，OH?濃度較高，可能會(huì)參與光催化反應(yīng)，影響反應(yīng)路徑和產(chǎn)物分布。研究發(fā)現(xiàn)，在不同pH值的反應(yīng)體系中，g-C?N?光催化降解有機(jī)污染物的性能存在明顯差異。在中性和弱堿性條件下，g-C?N?對(duì)某些有機(jī)污染物具有較好的光催化降解效果，而在酸性條件下，降解效果則相對(duì)較差。這是因?yàn)樵诓煌琾H值下，有機(jī)污染物在催化劑表面的吸附形態(tài)和反應(yīng)活性不同，以及光生載流子的轉(zhuǎn)移和利用效率也有所差異。因此，在光催化反應(yīng)中，需要根據(jù)具體的反應(yīng)體系和目標(biāo)產(chǎn)物，選擇合適的pH值，以提高g-C?N?的光催化性能。2.3基于性能提升的催化劑設(shè)計(jì)思路為了提升g-C?N?光催化制氫性能，需要從多個(gè)關(guān)鍵角度出發(fā)，綜合運(yùn)用多種設(shè)計(jì)策略，以實(shí)現(xiàn)對(duì)g-C?N?性能的全面優(yōu)化。這些策略旨在解決g-C?N?在光催化過(guò)程中存在的諸如可見(jiàn)光吸收不足、光生載流子復(fù)合嚴(yán)重等問(wèn)題，從而提高其光催化制氫的效率和穩(wěn)定性。從優(yōu)化結(jié)構(gòu)的角度來(lái)看，調(diào)控g-C?N?的微觀結(jié)構(gòu)是提升其光催化性能的重要途徑。通過(guò)構(gòu)建介孔結(jié)構(gòu)可以顯著增大g-C?N?的比表面積，為光催化反應(yīng)提供更多的活性位點(diǎn)，進(jìn)而提高光催化效率。在模板法制備介孔g-C?N?的過(guò)程中，選用合適的模板劑至關(guān)重要。以SBA-15介孔硅為模板，將其與g-C?N?前驅(qū)體充分混合，在高溫煅燒過(guò)程中，SBA-15的有序介孔結(jié)構(gòu)能夠引導(dǎo)g-C?N?前驅(qū)體在其孔道內(nèi)生長(zhǎng)，待模板劑去除后，便可得到具有有序介孔結(jié)構(gòu)的g-C?N?。這種介孔結(jié)構(gòu)不僅極大地增加了比表面積，還能促進(jìn)光生載流子的傳輸，使光生載流子更容易到達(dá)催化劑表面參與反應(yīng)，減少了光生載流子的復(fù)合幾率。通過(guò)控制模板劑的用量、反應(yīng)溫度和時(shí)間等參數(shù)，可以精確調(diào)控介孔g-C?N?的孔徑大小、孔容和比表面積等結(jié)構(gòu)參數(shù)，進(jìn)一步優(yōu)化其光催化性能。研究表明，當(dāng)介孔g-C?N?的孔徑在5-10nm之間時(shí)，其光催化制氫活性最高。調(diào)控能帶是另一個(gè)重要的設(shè)計(jì)思路。通過(guò)元素?fù)诫s或引入缺陷，可以有效地改變g-C?N?的能帶結(jié)構(gòu)，優(yōu)化其光催化性能。在元素?fù)诫s方面，選擇合適的摻雜元素和控制摻雜濃度是關(guān)鍵。對(duì)g-C?N?進(jìn)行氮摻雜時(shí)，氮原子的引入會(huì)在g-C?N?的禁帶中引入新的缺陷能級(jí)。這些新能級(jí)的存在使得g-C?N?能夠吸收更長(zhǎng)波長(zhǎng)的光，拓寬了其光譜響應(yīng)范圍，從而增強(qiáng)了對(duì)可見(jiàn)光的吸收能力。氮摻雜還會(huì)改變g-C?N?的電子云分布，影響光生載流子的產(chǎn)生和傳輸過(guò)程。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)獡诫s濃度為1%-3%時(shí)，g-C?N?的光催化制氫性能得到顯著提升。這是因?yàn)檫m量的氮摻雜可以在不破壞g-C?N?原有結(jié)構(gòu)的前提下，有效地調(diào)控其能帶結(jié)構(gòu)，提高光生載流子的分離和傳輸效率。引入缺陷同樣可以改變g-C?N?的能帶結(jié)構(gòu)。在高溫煅燒過(guò)程中，通過(guò)控制反應(yīng)氣氛和溫度等條件，可以在g-C?N?中引入C空位或N空位等缺陷。這些缺陷能夠打破g-C?N?的結(jié)構(gòu)對(duì)稱性，留下未配對(duì)電子，形成電荷脫域，加速光生載流子的分離，從而提高光催化活性。抑制載流子復(fù)合對(duì)于提升g-C?N?光催化性能也至關(guān)重要。構(gòu)建異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)是抑制光生載流子復(fù)合的有效方法之一。將g-C?N?與具有合適能帶結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體材料復(fù)合形成異質(zhì)結(jié)，如g-C?N?/TiO?異質(zhì)結(jié)。在這種異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)中，g-C?N?和TiO?的能帶結(jié)構(gòu)存在差異，當(dāng)光照射到異質(zhì)結(jié)上時(shí)，g-C?N?價(jià)帶上的光生電子會(huì)由于能帶的差異而轉(zhuǎn)移到TiO?的導(dǎo)帶上，而TiO?價(jià)帶上的光生空穴則會(huì)轉(zhuǎn)移到g-C?N?的價(jià)帶上，從而實(shí)現(xiàn)光生電子-空穴對(duì)的有效分離，抑制了它們的復(fù)合。這種電子-空穴對(duì)的定向轉(zhuǎn)移是基于異質(zhì)結(jié)界面處的內(nèi)建電場(chǎng)，內(nèi)建電場(chǎng)的存在使得光生載流子能夠快速分離并遷移到不同的半導(dǎo)體材料中，減少了復(fù)合的機(jī)會(huì)。研究表明，g-C?N?/TiO?異質(zhì)結(jié)的光催化制氫效率相比純g-C?N?有顯著提高。合理選擇助催化劑也能有效抑制光生載流子復(fù)合。助催化劑通常具有較高的電子遷移率和良好的催化活性，能夠促進(jìn)光生載流子的轉(zhuǎn)移和反應(yīng)。在g-C?N?表面負(fù)載Pt納米顆粒作為助催化劑，Pt具有優(yōu)異的電子傳導(dǎo)性能，能夠快速捕獲g-C?N?產(chǎn)生的光生電子，并將其傳遞給反應(yīng)物，從而減少光生電子與空穴的復(fù)合，提高光催化制氫效率。通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)、調(diào)控能帶、抑制載流子復(fù)合等設(shè)計(jì)策略，可以有效地提升g-C?N?光催化制氫性能。在實(shí)際應(yīng)用中，需要綜合考慮各種因素，根據(jù)具體需求選擇合適的設(shè)計(jì)策略，以實(shí)現(xiàn)g-C?N?光催化劑的高效制備和應(yīng)用。三、g-C?N?光制氫催化劑制備方法3.1傳統(tǒng)制備方法概述傳統(tǒng)制備g-C?N?光制氫催化劑的方法主要包括熱聚合法、溶劑熱法、電化學(xué)沉積法等，每種方法都有其獨(dú)特的工藝步驟、優(yōu)缺點(diǎn)及適用場(chǎng)景。熱聚合法是制備g-C?N?最常用的方法之一，通常使用含氮前驅(qū)體在高溫下進(jìn)行熱解聚合反應(yīng)。以三聚氰胺為前驅(qū)體，將其置于高溫爐中，在500-600℃的溫度下進(jìn)行煅燒，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的熱解聚合，三聚氰胺分子中的氨基逐步脫除，發(fā)生縮聚反應(yīng)，最終形成g-C?N?。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于操作相對(duì)簡(jiǎn)便，原料來(lái)源廣泛且成本較低，適合大規(guī)模制備。由于熱聚合法反應(yīng)條件較為劇烈，難以精確控制反應(yīng)過(guò)程，容易導(dǎo)致產(chǎn)物結(jié)構(gòu)不均勻，結(jié)晶度較低，比表面積較小，這些因素會(huì)對(duì)g-C?N?的光催化性能產(chǎn)生一定的負(fù)面影響。熱聚合法適用于對(duì)催化劑性能要求不是特別苛刻，需要大規(guī)模制備g-C?N?的場(chǎng)景，如一些初步的研究探索或?qū)Τ杀究刂戚^為嚴(yán)格的工業(yè)應(yīng)用前期階段。溶劑熱法是在溶劑存在的條件下進(jìn)行熱解合成g-C?N?的方法。將含氮前驅(qū)體與適當(dāng)?shù)娜軇ㄈ缫掖肌⒁译娴龋┗旌?，放入高壓反?yīng)釜中，在一定溫度和壓力下進(jìn)行反應(yīng)。在反應(yīng)過(guò)程中，溶劑不僅作為反應(yīng)介質(zhì)，還可能參與反應(yīng)，影響產(chǎn)物的形貌和結(jié)構(gòu)。通過(guò)控制反應(yīng)溫度、壓力和溶劑種類等條件，可以制備出具有不同形貌和結(jié)構(gòu)的g-C?N?，如納米片、納米棒等。溶劑熱法的優(yōu)點(diǎn)是能夠精確控制產(chǎn)物的形貌和結(jié)構(gòu)，從而調(diào)控g-C?N?的性能。該方法需要較高的溫度和壓力，對(duì)反應(yīng)設(shè)備要求較高，操作相對(duì)復(fù)雜，且溶劑的使用可能帶來(lái)環(huán)境問(wèn)題，成本也相對(duì)較高。溶劑熱法適用于對(duì)催化劑形貌和結(jié)構(gòu)有特定要求，需要精確調(diào)控g-C?N?性能的研究和應(yīng)用場(chǎng)景，如一些對(duì)催化劑微觀結(jié)構(gòu)和性能要求較高的基礎(chǔ)研究或高端應(yīng)用領(lǐng)域。電化學(xué)沉積法是利用電化學(xué)原理，在電極表面沉積制備g-C?N?的方法。將含有氮源和碳源的電解液置于電解池中，以導(dǎo)電基體為工作電極，通過(guò)施加一定的電壓或電流，使電解液中的離子在電極表面發(fā)生還原反應(yīng)，逐步沉積形成g-C?N?薄膜。在沉積過(guò)程中，可以通過(guò)控制電化學(xué)參數(shù)（如電壓、電流密度、沉積時(shí)間等）來(lái)精確控制g-C?N?薄膜的厚度、形貌和結(jié)構(gòu)。電化學(xué)沉積法的優(yōu)勢(shì)在于可以在特定的基底上制備g-C?N?薄膜，實(shí)現(xiàn)對(duì)催化劑的精準(zhǔn)定位和固定，且能夠精確控制薄膜的生長(zhǎng)過(guò)程。該方法制備過(guò)程較為復(fù)雜，產(chǎn)量較低，設(shè)備成本較高，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制備。電化學(xué)沉積法適用于需要在特定基底上制備g-C?N?薄膜，對(duì)催化劑的定位和薄膜生長(zhǎng)控制要求較高的場(chǎng)景，如一些傳感器、光電器件等領(lǐng)域的應(yīng)用。3.2改進(jìn)與新型制備工藝探索為了克服傳統(tǒng)制備方法的局限性，提高g-C?N?光制氫催化劑的性能，科研人員對(duì)傳統(tǒng)方法進(jìn)行了改進(jìn)，并探索了新型制備工藝。在改進(jìn)傳統(tǒng)方法方面，對(duì)熱聚合法的熱解參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化是一個(gè)重要方向。傳統(tǒng)熱聚合法中，溫度、升溫速率、保溫時(shí)間等熱解參數(shù)對(duì)產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)和性能有顯著影響。研究發(fā)現(xiàn)，精確控制這些參數(shù)可以有效改善g-C?N?的結(jié)晶度和微觀結(jié)構(gòu)。當(dāng)熱解溫度從550℃提高到600℃時(shí)，g-C?N?的結(jié)晶度明顯提高，其光催化制氫活性也隨之增強(qiáng)。這是因?yàn)檩^高的溫度有助于前驅(qū)體的充分反應(yīng)，促進(jìn)g-C?N?晶體結(jié)構(gòu)的完善，減少缺陷的產(chǎn)生，從而提高光生載流子的傳輸效率和穩(wěn)定性。升溫速率也會(huì)影響產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)。較慢的升溫速率可以使前驅(qū)體在反應(yīng)過(guò)程中更加均勻地分解和聚合，有利于形成更加規(guī)整的g-C?N?結(jié)構(gòu)；而過(guò)快的升溫速率可能導(dǎo)致前驅(qū)體反應(yīng)不均勻，產(chǎn)生較多的結(jié)構(gòu)缺陷，降低光催化性能。保溫時(shí)間同樣關(guān)鍵，適當(dāng)延長(zhǎng)保溫時(shí)間可以使反應(yīng)更加充分，進(jìn)一步提高g-C?N?的結(jié)晶度和穩(wěn)定性，但過(guò)長(zhǎng)的保溫時(shí)間可能會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)物的燒結(jié)，減少比表面積，對(duì)光催化性能產(chǎn)生負(fù)面影響。在溶劑熱法中，改進(jìn)溶劑熱條件也是提升g-C?N?性能的關(guān)鍵。溶劑的種類、濃度以及反應(yīng)體系的壓力等因素都會(huì)對(duì)產(chǎn)物的形貌和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。以乙腈為溶劑時(shí)，制備出的g-C?N?呈現(xiàn)出納米片結(jié)構(gòu)，而以乙醇為溶劑時(shí)，產(chǎn)物則更傾向于形成納米棒結(jié)構(gòu)。這是因?yàn)椴煌軇┑臉O性、溶解性和反應(yīng)活性不同，會(huì)影響前驅(qū)體在溶液中的分散狀態(tài)和反應(yīng)路徑，從而導(dǎo)致產(chǎn)物形貌的差異。通過(guò)調(diào)整溶劑的濃度，可以改變反應(yīng)體系的過(guò)飽和度，進(jìn)而控制產(chǎn)物的粒徑和生長(zhǎng)速率。增加溶劑中前驅(qū)體的濃度，會(huì)使反應(yīng)體系的過(guò)飽和度增大，從而促進(jìn)g-C?N?的快速成核和生長(zhǎng)，導(dǎo)致產(chǎn)物粒徑增大；相反，降低前驅(qū)體濃度則會(huì)使產(chǎn)物粒徑減小。反應(yīng)體系的壓力也不容忽視，適當(dāng)提高壓力可以促進(jìn)前驅(qū)體的反應(yīng)，增加產(chǎn)物的結(jié)晶度和純度，但過(guò)高的壓力可能會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)設(shè)備的要求提高，增加成本和操作難度。除了改進(jìn)傳統(tǒng)方法，新型制備技術(shù)也不斷涌現(xiàn)，為g-C?N?光制氫催化劑的制備提供了新的思路和方法。微波輔助法是一種利用微波的快速加熱特性來(lái)制備g-C?N?的技術(shù)。微波能夠快速穿透反應(yīng)物，使反應(yīng)物內(nèi)部迅速升溫，實(shí)現(xiàn)快速合成。與傳統(tǒng)加熱方式相比，微波輔助法具有加熱均勻、反應(yīng)速度快等優(yōu)勢(shì)。在傳統(tǒng)熱聚合法中，加熱過(guò)程往往存在溫度梯度，導(dǎo)致反應(yīng)物受熱不均勻，影響產(chǎn)物的質(zhì)量；而微波輔助法能夠?qū)崿F(xiàn)反應(yīng)物的整體快速加熱，減少溫度梯度，使反應(yīng)更加均勻，從而制備出結(jié)構(gòu)更加均勻的g-C?N?。微波輔助法還能顯著縮短反應(yīng)時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，為大規(guī)模制備g-C?N?提供了可能。模板法是另一種重要的新型制備技術(shù)，該方法利用模板的結(jié)構(gòu)導(dǎo)向作用，精確控制g-C?N?的形貌和結(jié)構(gòu)。硬模板法中，常用的模板材料如二氧化硅（SiO?）、氧化鋁（Al?O?）等具有特定的孔道結(jié)構(gòu)。以SiO?為模板，將g-C?N?前驅(qū)體填充到SiO?的孔道中，經(jīng)過(guò)高溫煅燒和模板去除后，可得到具有與模板孔道結(jié)構(gòu)互補(bǔ)的介孔g-C?N?。這種介孔結(jié)構(gòu)能夠提供更大的比表面積，增加光催化劑與反應(yīng)物的接觸面積，同時(shí)有利于光生載流子的傳輸和擴(kuò)散，從而提高光催化性能。軟模板法則通常使用表面活性劑等作為模板劑，通過(guò)模板劑與前驅(qū)體之間的相互作用，引導(dǎo)g-C?N?的生長(zhǎng)。使用嵌段共聚物作為軟模板，能夠制備出具有特定形貌和尺寸的g-C?N?納米結(jié)構(gòu)，如納米球、納米管等。這些特殊的納米結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步優(yōu)化g-C?N?的性能，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。改進(jìn)與新型制備工藝的探索為提高g-C?N?光制氫催化劑的性能提供了有力的支持。通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)方法的改進(jìn)和新型制備技術(shù)的應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)g-C?N?結(jié)構(gòu)和性能的精確調(diào)控，為其在光催化制氫領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。3.3制備過(guò)程關(guān)鍵參數(shù)對(duì)催化劑性能的影響制備過(guò)程中的關(guān)鍵參數(shù)，如前驅(qū)體選擇、反應(yīng)溫度、時(shí)間、氣氛等，對(duì)g-C?N?光制氫催化劑的性能有著顯著影響，深入研究這些影響規(guī)律對(duì)于優(yōu)化催化劑性能至關(guān)重要。前驅(qū)體的選擇是制備g-C?N?光催化劑的首要關(guān)鍵因素。常見(jiàn)的前驅(qū)體包括三聚氰胺、尿素、雙氰胺、硫脲等富氮化合物，不同前驅(qū)體的化學(xué)結(jié)構(gòu)和反應(yīng)活性各異，會(huì)導(dǎo)致最終產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)和性能產(chǎn)生明顯差異。以尿素和三聚氰胺為例，采用尿素為前驅(qū)體制備的g-C?N?，由于尿素在熱解過(guò)程中分解產(chǎn)生的氨氣和二氧化碳等氣體，能夠在一定程度上起到造孔作用，使得制備出的g-C?N?具有相對(duì)較大的比表面積，為光催化反應(yīng)提供了更多的活性位點(diǎn)。有研究表明，在相同的制備條件下，以尿素為前驅(qū)體制備的g-C?N?比表面積可達(dá)45m2/g，而以三聚氰胺為前驅(qū)體制備的g-C?N?比表面積僅為25m2/g。這種比表面積的差異會(huì)直接影響光催化性能，比表面積較大的g-C?N?在光催化制氫實(shí)驗(yàn)中，能夠更充分地與反應(yīng)物接觸，促進(jìn)光生載流子的傳輸和反應(yīng)，從而表現(xiàn)出更高的產(chǎn)氫速率。前驅(qū)體中的雜質(zhì)含量也會(huì)對(duì)g-C?N?的性能產(chǎn)生影響，雜質(zhì)可能會(huì)引入額外的缺陷或改變材料的電子結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響光催化活性。因此，在選擇前驅(qū)體時(shí)，需要綜合考慮前驅(qū)體的純度、成本、反應(yīng)活性以及對(duì)產(chǎn)物結(jié)構(gòu)和性能的影響等因素，以獲得性能優(yōu)異的g-C?N?光催化劑。反應(yīng)溫度對(duì)g-C?N?的晶體結(jié)構(gòu)和性能有著至關(guān)重要的影響。在熱聚合法制備g-C?N?的過(guò)程中，當(dāng)反應(yīng)溫度較低時(shí)，前驅(qū)體的反應(yīng)不完全，聚合程度較低，導(dǎo)致產(chǎn)物中存在較多的未反應(yīng)基團(tuán)和結(jié)構(gòu)缺陷，結(jié)晶度較差。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)反應(yīng)溫度為500℃時(shí)，制備出的g-C?N?結(jié)晶度較低，XRD圖譜中特征峰較弱且寬化，這表明其晶體結(jié)構(gòu)不夠規(guī)整，內(nèi)部存在較多的晶格缺陷。這些缺陷會(huì)成為光生載流子的復(fù)合中心，降低光生載流子的分離效率，從而導(dǎo)致光催化活性較低。隨著反應(yīng)溫度升高到550℃，前驅(qū)體反應(yīng)更加充分，聚合程度提高，g-C?N?的結(jié)晶度明顯提高，XRD圖譜中特征峰變得尖銳，晶體結(jié)構(gòu)更加規(guī)整。結(jié)晶度的提高有利于光生載流子的傳輸，減少了復(fù)合幾率，使得光催化活性顯著提升。當(dāng)反應(yīng)溫度進(jìn)一步升高到600℃時(shí)，過(guò)高的溫度可能會(huì)導(dǎo)致g-C?N?發(fā)生燒結(jié)現(xiàn)象，比表面積減小，活性位點(diǎn)減少，光催化性能反而下降。這是因?yàn)楦邷叵耮-C?N?顆粒之間的團(tuán)聚加劇，導(dǎo)致比表面積減小，反應(yīng)物與催化劑的接觸面積減少，不利于光催化反應(yīng)的進(jìn)行。因此，在制備g-C?N?光催化劑時(shí)，需要精確控制反應(yīng)溫度，以獲得結(jié)晶度高、比表面積適宜、光催化性能優(yōu)異的產(chǎn)物。反應(yīng)時(shí)間同樣對(duì)g-C?N?的性能有著不可忽視的影響。在一定時(shí)間范圍內(nèi)，延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間可以使前驅(qū)體充分反應(yīng)，促進(jìn)g-C?N?的聚合和晶體生長(zhǎng)，提高結(jié)晶度。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間較短時(shí)，前驅(qū)體未完全轉(zhuǎn)化為g-C?N?，產(chǎn)物中可能含有較多的中間產(chǎn)物，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，光催化性能較差。有研究表明，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為2h時(shí)，制備出的g-C?N?中存在較多的未反應(yīng)前驅(qū)體，結(jié)構(gòu)較為疏松，光催化制氫活性較低。隨著反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)到4h，前驅(qū)體充分反應(yīng)，g-C?N?的結(jié)晶度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性明顯提高，光催化活性顯著增強(qiáng)。然而，過(guò)長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間也可能導(dǎo)致一些負(fù)面效應(yīng)。反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)使g-C?N?的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，可能會(huì)導(dǎo)致部分活性位點(diǎn)失活，比表面積減小，光催化性能下降。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)到8h時(shí)，g-C?N?的比表面積有所減小，光催化制氫速率出現(xiàn)下降趨勢(shì)。這是因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間的反應(yīng)可能會(huì)導(dǎo)致g-C?N?顆粒的團(tuán)聚和燒結(jié)，從而減少了活性位點(diǎn)和比表面積，降低了光催化性能。因此，在制備過(guò)程中，需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定最佳的反應(yīng)時(shí)間，以保證g-C?N?具有良好的結(jié)構(gòu)和性能。反應(yīng)氣氛對(duì)g-C?N?光催化劑的性能也有著重要影響。常見(jiàn)的反應(yīng)氣氛包括空氣、氮?dú)?、氬氣等。在不同的反?yīng)氣氛下，前驅(qū)體的反應(yīng)過(guò)程和產(chǎn)物的性質(zhì)會(huì)有所不同。在空氣氣氛下，由于空氣中含有氧氣，前驅(qū)體在熱解過(guò)程中可能會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)，導(dǎo)致產(chǎn)物中引入氧雜質(zhì)，影響g-C?N?的電子結(jié)構(gòu)和光催化性能。研究發(fā)現(xiàn)，在空氣氣氛下制備的g-C?N?，其表面可能會(huì)形成一些含氧官能團(tuán)，這些官能團(tuán)會(huì)改變g-C?N?的電子云分布，影響光生載流子的傳輸和分離。在氮?dú)鈿夥障拢獨(dú)庾鳛槎栊詺怏w，能夠提供一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的反應(yīng)環(huán)境，減少氧化等副反應(yīng)的發(fā)生，有利于制備出純度較高的g-C?N?。在氮?dú)鈿夥障轮苽涞膅-C?N?，其晶體結(jié)構(gòu)更加規(guī)整，光生載流子的復(fù)合率較低，光催化性能較好。在氫氣氣氛下，氫氣具有還原性，可能會(huì)與前驅(qū)體或產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)，改變g-C?N?的結(jié)構(gòu)和性能。有研究嘗試在氫氣氣氛下制備g-C?N?，發(fā)現(xiàn)氫氣的存在會(huì)使g-C?N?的表面產(chǎn)生一些氫缺陷，這些缺陷能夠改變g-C?N?的電子結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)其對(duì)可見(jiàn)光的吸收能力，從而提高光催化活性。然而，氫氣氣氛下的反應(yīng)條件較為苛刻，需要嚴(yán)格控制氫氣的流量和反應(yīng)溫度等參數(shù)，否則可能會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)物結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定或出現(xiàn)其他副反應(yīng)。因此，在選擇反應(yīng)氣氛時(shí)，需要根據(jù)具體的制備需求和目標(biāo)，綜合考慮各種因素，選擇合適的反應(yīng)氣氛，以獲得性能優(yōu)良的g-C?N?光催化劑。四、基于g-C?N?的復(fù)合光催化劑設(shè)計(jì)與制備4.1異質(zhì)結(jié)構(gòu)建異質(zhì)結(jié)構(gòu)建是提升g-C?N?光催化性能的關(guān)鍵策略之一，通過(guò)將g-C?N?與其他半導(dǎo)體材料復(fù)合，能夠有效促進(jìn)光生載流子的分離和傳輸，從而顯著提高光催化效率。當(dāng)g-C?N?與其他半導(dǎo)體材料復(fù)合構(gòu)建異質(zhì)結(jié)時(shí)，由于不同半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)存在差異，在異質(zhì)結(jié)界面處會(huì)形成內(nèi)建電場(chǎng)。以內(nèi)建電場(chǎng)為驅(qū)動(dòng)力，光生載流子會(huì)發(fā)生定向轉(zhuǎn)移，從而實(shí)現(xiàn)光生電子-空穴對(duì)的有效分離，抑制其復(fù)合。這種基于內(nèi)建電場(chǎng)的光生載流子轉(zhuǎn)移機(jī)制，是異質(zhì)結(jié)構(gòu)建提高光催化性能的核心原理。g-C?N?與無(wú)機(jī)半導(dǎo)體（如TiO_2、CdS等）構(gòu)建異質(zhì)結(jié)是常見(jiàn)的研究方向。以g-C?N?/TiO_2異質(zhì)結(jié)為例，TiO_2是一種廣泛應(yīng)用的半導(dǎo)體光催化劑，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和較高的光催化活性，但其禁帶寬度較大（約3.2eV），只能吸收紫外光，對(duì)太陽(yáng)能的利用效率較低。g-C?N?的禁帶寬度約為2.7eV，能夠吸收可見(jiàn)光，但光生載流子復(fù)合嚴(yán)重。將g-C?N?與TiO_2復(fù)合形成異質(zhì)結(jié)后，由于兩者的能帶結(jié)構(gòu)匹配，在光照條件下，g-C?N?價(jià)帶上的光生電子會(huì)在異質(zhì)結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，轉(zhuǎn)移到TiO_2的導(dǎo)帶上，而TiO_2價(jià)帶上的光生空穴則會(huì)轉(zhuǎn)移到g-C?N?的價(jià)帶上。這種光生載流子的定向轉(zhuǎn)移，使得光生電子-空穴對(duì)能夠得到有效分離，減少了復(fù)合的幾率，從而提高了光催化制氫效率。研究表明，在可見(jiàn)光照射下，g-C?N?/TiO_2異質(zhì)結(jié)的光催化制氫速率相比純g-C?N?有顯著提高。g-C?N?與有機(jī)半導(dǎo)體（如DTIDT-NC等）構(gòu)建異質(zhì)結(jié)也展現(xiàn)出了良好的性能提升效果。DTIDT-NC是一種新型的有機(jī)半導(dǎo)體材料，具有獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)。中電建新能源集團(tuán)申請(qǐng)的“一種可見(jiàn)光響應(yīng)的光催化劑DTIDT-NC/g-C?N?及其制備方法與應(yīng)用”專利中提到，以茚并二噻吩并噻吩(DTIDT)為核心D單元，氰基萘基茚酮為A單元，設(shè)計(jì)合成了受體(A)-給體(D)-受體(A)型有機(jī)半導(dǎo)體DTIDT-NC，并將其與g-C?N?復(fù)合構(gòu)筑DTIDT-NC/g-C?N?異質(zhì)結(jié)光催化劑。這種異質(zhì)結(jié)光催化劑拓寬了g-C?N?的吸收光譜，有效抑制了光生電子和空穴的復(fù)合。將其用于光解水制氫中，表現(xiàn)出更優(yōu)異的光解水析氫性能。這是因?yàn)镈TIDT-NC具有較大的消光系數(shù)和靈活可調(diào)的分子結(jié)構(gòu)，與g-C?N?復(fù)合后，能夠與g-C?N?形成良好的能帶匹配，促進(jìn)光生載流子的轉(zhuǎn)移和分離，從而提高光催化性能。根據(jù)g-C?N?與耦合組分之間光生電荷載流子轉(zhuǎn)移機(jī)制的不同，g-C?N?基異質(zhì)結(jié)光催化劑可分為g-C?N?基常規(guī)II型異質(zhì)結(jié)、g-C?N?基Z型異質(zhì)結(jié)、基于g-C?N?的p-n異質(zhì)結(jié)、g-C?N?/金屬異質(zhì)結(jié)和g-C?N?碳異質(zhì)結(jié)等類型。在g-C?N?基常規(guī)II型異質(zhì)結(jié)中，兩種半導(dǎo)體的導(dǎo)帶和價(jià)帶位置存在差異，光生電子和空穴會(huì)分別轉(zhuǎn)移到不同半導(dǎo)體的導(dǎo)帶和價(jià)帶上，實(shí)現(xiàn)光生載流子的分離。在g-C?N?基Z型異質(zhì)結(jié)中，光生載流子的轉(zhuǎn)移路徑更為復(fù)雜，通過(guò)在兩種半導(dǎo)體之間引入電子媒介體，使得光生電子和空穴能夠沿著Z型路徑進(jìn)行轉(zhuǎn)移，從而保留了光生載流子的高氧化還原能力?；趃-C?N?的p-n異質(zhì)結(jié)則是利用p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體的特性，在異質(zhì)結(jié)界面處形成內(nèi)建電場(chǎng)，促進(jìn)光生載流子的分離。不同類型的異質(zhì)結(jié)對(duì)光生載流子分離和傳輸?shù)拇龠M(jìn)作用各有特點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體需求選擇合適的異質(zhì)結(jié)類型，以實(shí)現(xiàn)最佳的光催化性能。4.2摻雜改性摻雜改性是提升g-C?N?光催化性能的重要策略之一，通過(guò)在g-C?N?中引入金屬離子或非金屬元素，能夠有效改變其電子結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)，從而提高光催化活性。在金屬離子摻雜方面，常見(jiàn)的摻雜離子如Fe3?、Cu2?等，其摻雜方法主要包括熱縮合法和化學(xué)法。熱縮合法是將三聚氰胺與摻雜金屬離子的前驅(qū)體混合均勻后，在高溫下進(jìn)行熱縮合反應(yīng)。將硝酸鐵與三聚氰胺混合，在550℃下煅燒，使Fe3?摻入g-C?N?晶格中?；瘜W(xué)法則是通過(guò)化學(xué)反應(yīng)將金屬離子引入到g-C?N?的晶格中，具體操作步驟包括溶液反應(yīng)、沉淀、干燥等過(guò)程。采用浸漬法，將g-C?N?浸泡在含有Cu2?的溶液中，使Cu2?吸附在g-C?N?表面，然后通過(guò)熱處理使Cu2?與g-C?N?發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)Cu2?的摻雜。金屬離子摻雜對(duì)g-C?N?能帶結(jié)構(gòu)、光吸收范圍和光催化活性有著顯著影響。Fe3?摻雜能夠在g-C?N?的禁帶中引入雜質(zhì)能級(jí)，拓寬光吸收范圍，增強(qiáng)對(duì)可見(jiàn)光的吸收能力。這是因?yàn)镕e3?的電子結(jié)構(gòu)與g-C?N?中的C、N原子不同，摻雜后會(huì)改變g-C?N?的電子云分布，形成新的能級(jí)，從而使g-C?N?能夠吸收更長(zhǎng)波長(zhǎng)的光。Fe3?摻雜還可以作為電子捕獲中心，抑制光生電子-空穴對(duì)的復(fù)合，提高光生載流子的分離效率，進(jìn)而提升光催化活性。研究表明，適量Fe3?摻雜的g-C?N?在可見(jiàn)光照射下，光催化制氫速率相比未摻雜的g-C?N?有明顯提高。非金屬元素?fù)诫s也是常用的改性方法，常見(jiàn)的摻雜元素有S、P等。在S摻雜過(guò)程中，以硫脲為硫源，與三聚氰胺混合后進(jìn)行高溫煅燒，硫脲分解產(chǎn)生的S原子會(huì)取代g-C?N?晶格中的N原子，實(shí)現(xiàn)S摻雜。S摻雜會(huì)改變g-C?N?的電子結(jié)構(gòu)，使導(dǎo)帶位置發(fā)生負(fù)移。這是因?yàn)镾原子的電負(fù)性與N原子不同，摻雜后會(huì)導(dǎo)致g-C?N?中電子云分布的改變，從而影響能帶結(jié)構(gòu)。導(dǎo)帶負(fù)移使得g-C?N?的光生電子具有更強(qiáng)的還原能力，有利于光催化制氫反應(yīng)的進(jìn)行。S摻雜還能增加g-C?N?的光吸收范圍，提高對(duì)可見(jiàn)光的利用效率。研究發(fā)現(xiàn)，S摻雜的g-C?N?在可見(jiàn)光區(qū)域的吸收強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，光催化活性得到顯著提升。在P摻雜中，以磷酸氫二銨為磷源，通過(guò)熱聚合法將P引入g-C?N?晶格。P摻雜會(huì)在g-C?N?中引入新的缺陷能級(jí)，這些能級(jí)能夠捕獲光生載流子，促進(jìn)光生載流子的分離，從而提高光催化活性。P摻雜還能改變g-C?N?的表面性質(zhì)，增加活性位點(diǎn)的數(shù)量，有利于反應(yīng)物在催化劑表面的吸附和反應(yīng)。摻雜改性能夠有效提升g-C?N?的光催化性能，但在實(shí)際應(yīng)用中，需要精確控制摻雜元素的種類、含量以及摻雜方式，以實(shí)現(xiàn)對(duì)g-C?N?性能的精準(zhǔn)調(diào)控，獲得最佳的光催化效果。4.3負(fù)載助催化劑在提升g-C?N?光催化制氫性能的研究中，負(fù)載助催化劑是一種行之有效的策略。通過(guò)在g-C?N?表面負(fù)載助催化劑，能夠顯著改善光生載流子的分離效率，進(jìn)而提高光催化產(chǎn)氫速率。負(fù)載貴金屬（如Pt、Au等）和金屬氧化物（如MnO?、Co?O?等）是常用的助催化劑負(fù)載方式。以負(fù)載Pt為例，通常采用光沉積法將Pt納米顆粒負(fù)載到g-C?N?表面。在光沉積過(guò)程中，將g-C?N?分散在含有氯鉑酸（H?PtCl?）的溶液中，在光照條件下，g-C?N?產(chǎn)生的光生電子會(huì)將溶液中的Pt??還原為Pt?，從而在g-C?N?表面形成Pt納米顆粒。這種方法能夠精確控制Pt的負(fù)載量和分布，確保Pt納米顆粒均勻地分散在g-C?N?表面。還可以采用化學(xué)還原法，利用還原劑（如硼氫化鈉、甲醛等）將溶液中的Pt??還原為Pt?，并負(fù)載到g-C?N?表面。負(fù)載金屬氧化物助催化劑的方法也多種多樣。以MnO?為例，水熱法是一種常用的負(fù)載方法。將g-C?N?與含有錳源（如高錳酸鉀、硫酸錳等）的溶液混合，放入高壓反應(yīng)釜中，在一定溫度和壓力下進(jìn)行水熱反應(yīng)。在反應(yīng)過(guò)程中，錳源逐漸水解生成MnO?，并在g-C?N?表面生長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)MnO?的負(fù)載。通過(guò)控制反應(yīng)條件，如反應(yīng)溫度、時(shí)間、錳源濃度等，可以調(diào)控MnO?的形貌和負(fù)載量。還可以采用浸漬法，將g-C?N?浸泡在含有MnO?前驅(qū)體的溶液中，使前驅(qū)體吸附在g-C?N?表面，然后通過(guò)熱處理使前驅(qū)體分解生成MnO?，從而實(shí)現(xiàn)MnO?的負(fù)載。助催化劑對(duì)光生載流子分離效率和光催化產(chǎn)氫速率的提升作用顯著。負(fù)載Pt的g-C?N?，Pt具有優(yōu)異的電子傳導(dǎo)性能，能夠作為電子捕獲中心，快速捕獲g-C?N?產(chǎn)生的光生電子。這使得光生電子能夠迅速?gòu)膅-C?N?表面轉(zhuǎn)移到Pt上，有效抑制了光生電子與空穴的復(fù)合，從而提高了光生載流子的分離效率。光生載流子分離效率的提高，使得更多的光生電子能夠參與到光催化制氫反應(yīng)中，進(jìn)而提高了光催化產(chǎn)氫速率。研究表明，負(fù)載適量Pt的g-C?N?光催化產(chǎn)氫速率相比未負(fù)載Pt的g-C?N?可提高數(shù)倍。負(fù)載MnO?的g-C?N?同樣表現(xiàn)出良好的性能提升效果。MnO?具有較高的催化活性，能夠促進(jìn)光生載流子的轉(zhuǎn)移和反應(yīng)。MnO?與g-C?N?之間形成的界面能夠促進(jìn)光生電子的轉(zhuǎn)移，使得光生電子更容易從g-C?N?轉(zhuǎn)移到MnO?表面，參與光催化反應(yīng)。MnO?還能夠作為空穴捕獲中心，捕獲g-C?N?價(jià)帶上的光生空穴，進(jìn)一步促進(jìn)光生載流子的分離。這種協(xié)同作用使得負(fù)載MnO?的g-C?N?光催化產(chǎn)氫速率得到顯著提高。有研究報(bào)道，負(fù)載MnO?的g-C?N?在可見(jiàn)光照射下，光催化產(chǎn)氫速率相比純g-C?N?提高了2-3倍。負(fù)載助催化劑是提升g-C?N?光催化制氫性能的重要手段，通過(guò)合理選擇助催化劑和負(fù)載方法，能夠有效提高光生載流子分離效率和光催化產(chǎn)氫速率，為g-C?N?在光催化制氫領(lǐng)域的應(yīng)用提供了更廣闊的前景。五、催化劑性能表征與測(cè)試5.1結(jié)構(gòu)與形貌表征為了深入了解制備的g-C?N?光催化劑的結(jié)構(gòu)特征和形貌特點(diǎn)，采用了多種先進(jìn)的表征技術(shù)，包括XRD、TEM、SEM和AFM等，從不同角度對(duì)催化劑進(jìn)行全面分析。XRD是研究晶體結(jié)構(gòu)的重要手段，通過(guò)XRD分析可以確定g-C?N?光催化劑的晶體結(jié)構(gòu)、晶相組成以及結(jié)晶度等信息。在XRD圖譜中，g-C?N?通常在2θ為13.1°和27.4°附近出現(xiàn)特征衍射峰，分別對(duì)應(yīng)于(100)和(002)晶面。其中，(100)晶面的衍射峰反映了g-C?N?的層內(nèi)結(jié)構(gòu)，對(duì)應(yīng)于三-s-三嗪環(huán)的平面堆積；(002)晶面的衍射峰則代表了g-C?N?的層間堆積結(jié)構(gòu)，對(duì)應(yīng)于層間的周期性排列。通過(guò)分析這些衍射峰的位置、強(qiáng)度和半高寬等參數(shù)，可以判斷g-C?N?的晶體結(jié)構(gòu)是否完整，結(jié)晶度是否良好。如果(002)晶面衍射峰尖銳且強(qiáng)度較高，表明g-C?N?的層間堆積較為規(guī)整，結(jié)晶度較高；而若衍射峰寬化或強(qiáng)度較弱，則可能意味著晶體結(jié)構(gòu)存在缺陷或結(jié)晶度較低。在對(duì)摻雜改性后的g-C?N?進(jìn)行XRD分析時(shí)，可能會(huì)觀察到衍射峰的位移或新的衍射峰出現(xiàn)。當(dāng)對(duì)g-C?N?進(jìn)行金屬離子摻雜時(shí)，由于金屬離子的半徑和電子結(jié)構(gòu)與g-C?N?中的C、N原子不同，可能會(huì)導(dǎo)致晶格發(fā)生畸變，從而使XRD衍射峰的位置發(fā)生位移。引入較大半徑的金屬離子可能會(huì)使晶格間距增大，導(dǎo)致衍射峰向低角度方向移動(dòng)。若摻雜后形成了新的化合物或物相，則可能會(huì)出現(xiàn)新的衍射峰。通過(guò)對(duì)這些XRD圖譜變化的分析，可以深入了解摻雜對(duì)g-C?N?晶體結(jié)構(gòu)的影響。TEM能夠提供g-C?N?光催化劑的微觀形貌和晶體結(jié)構(gòu)的高分辨率圖像，使我們可以直接觀察到其納米尺度的特征。在Temu圖像中，可以清晰地看到g-C?N?的片層結(jié)構(gòu)，片層的厚度、尺寸以及層間的堆積方式等信息一目了然。對(duì)于負(fù)載助催化劑的g-C?N?，Temu可以直觀地展示助催化劑在g-C?N?表面的負(fù)載情況，包括助催化劑的顆粒大小、分布均勻性以及與g-C?N?之間的界面結(jié)合情況。負(fù)載Pt納米顆粒的g-C?N?，通過(guò)Temu可以觀察到Pt納米顆粒均勻地分散在g-C?N?片層表面，且顆粒大小較為一致，這表明光沉積法或化學(xué)還原法等負(fù)載方法能夠有效地將Pt納米顆粒負(fù)載到g-C?N?表面，并且實(shí)現(xiàn)較好的分散。Temu還可以用于觀察g-C?N?與其他材料復(fù)合形成的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，通過(guò)高分辨率Temu圖像，可以清晰地看到異質(zhì)結(jié)界面處兩種材料的晶格匹配情況和電子云分布，從而深入了解異質(zhì)結(jié)的形成機(jī)制和光生載流子在界面處的傳輸過(guò)程。SEM主要用于觀察g-C?N?光催化劑的表面形貌和顆粒尺寸分布。在SEM圖像中，可以直觀地看到g-C?N?的顆粒形態(tài)，如是否為片狀、球狀或其他形狀，以及顆粒的大小和團(tuán)聚情況。通過(guò)對(duì)SEM圖像的分析，可以統(tǒng)計(jì)顆粒的平均尺寸和尺寸分布范圍，了解制備過(guò)程對(duì)g-C?N?顆粒尺寸的影響。在研究不同制備條件對(duì)g-C?N?形貌的影響時(shí)，SEM圖像顯示，采用模板法制備的g-C?N?具有規(guī)則的介孔結(jié)構(gòu)，顆粒尺寸相對(duì)均勻；而傳統(tǒng)熱聚合法制備的g-C?N?顆粒尺寸分布較寬，且存在一定程度的團(tuán)聚現(xiàn)象。這表明模板法能夠有效地控制g-C?N?的形貌和顆粒尺寸，為提高其光催化性能提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。SEM還可以用于觀察g-C?N?表面的粗糙度和孔隙結(jié)構(gòu)，這些表面特征對(duì)光催化劑與反應(yīng)物的接觸面積和吸附性能有重要影響。表面粗糙度較大、孔隙結(jié)構(gòu)豐富的g-C?N?能夠提供更多的活性位點(diǎn)，有利于光催化反應(yīng)的進(jìn)行。AFM是一種用于研究材料表面微觀結(jié)構(gòu)和形貌的技術(shù)，能夠提供原子級(jí)分辨率的表面圖像，特別適用于研究g-C?N?的二維片層結(jié)構(gòu)。通過(guò)AFM圖像，可以精確測(cè)量g-C?N?片層的厚度、表面粗糙度以及片層之間的間距等參數(shù)。AFM結(jié)果顯示，g-C?N?片層的厚度通常在幾納米到幾十納米之間，表面粗糙度較小，表明其表面較為平整。對(duì)于經(jīng)過(guò)改性處理的g-C?N?，AFM可以檢測(cè)到表面結(jié)構(gòu)的細(xì)微變化，如摻雜或負(fù)載助催化劑后表面粗糙度的改變。當(dāng)在g-C?N?表面負(fù)載金屬氧化物助催化劑時(shí)，AFM圖像顯示表面粗糙度增加，這是由于助催化劑顆粒的存在導(dǎo)致表面形貌發(fā)生變化。這些表面結(jié)構(gòu)的變化會(huì)影響g-C?N?的表面性質(zhì)和光催化性能，通過(guò)AFM的表征可以深入研究這些影響機(jī)制。通過(guò)XRD、Temu、SEM和AFM等技術(shù)的綜合應(yīng)用，能夠全面、深入地了解g-C?N?光催化劑的結(jié)構(gòu)特征和形貌特點(diǎn)，為進(jìn)一步研究其光催化性能和優(yōu)化制備工藝提供了重要的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。5.2光學(xué)性能測(cè)試?yán)肬V-Vis漫反射光譜、光致發(fā)光光譜（PL）等手段對(duì)催化劑的光學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，深入分析其光吸收性能和光生載流子復(fù)合情況，探究光學(xué)特性與光催化性能之間的內(nèi)在聯(lián)系。UV-Vis漫反射光譜測(cè)試在紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)上進(jìn)行，通過(guò)積分球附件收集樣品的漫反射光，從而獲得樣品的光吸收信息。在UV-Vis漫反射光譜中，g-C?N?通常在200-800nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)有吸收。在約270nm處有一個(gè)強(qiáng)吸收峰，這歸因于g-C?N?中π-π*躍遷。在可見(jiàn)光區(qū)域（400-800nm），g-C?N?也有一定的吸收，這是由于其禁帶寬度約為2.7eV，能夠吸收波長(zhǎng)小于475nm的藍(lán)紫光。通過(guò)對(duì)UV-Vis漫反射光譜的分析，可以得到催化劑的光吸收邊和禁帶寬度。根據(jù)Kubelka-Munk函數(shù)，通過(guò)公式F(R∞)=(1-R∞)^2/2R∞（其中R∞為樣品的反射率，F(xiàn)(R∞)為Kubelka-Munk函數(shù)），可以將反射率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為吸收系數(shù)數(shù)據(jù)，進(jìn)而計(jì)算出禁帶寬度。對(duì)于摻雜改性后的g-C?N?，UV-Vis漫反射光譜會(huì)發(fā)生明顯變化。當(dāng)對(duì)g-C?N?進(jìn)行氮摻雜時(shí)，由于氮原子的引入在禁帶中形成了新的缺陷能級(jí)，使得g-C?N?的光吸收范圍向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向拓展，在可見(jiàn)光區(qū)域的吸收強(qiáng)度明顯增強(qiáng)。這種光吸收范圍的拓展和吸收強(qiáng)度的增強(qiáng)，有利于提高g-C?N?對(duì)太陽(yáng)能的利用效率，從而提升光催化性能。光致發(fā)光光譜（PL）測(cè)試則是在熒光分光光度計(jì)上完成，用于探測(cè)光生載流子的復(fù)合過(guò)程。當(dāng)光照射到催化劑表面時(shí)，光生電子-空穴對(duì)在復(fù)合過(guò)程中會(huì)以光子的形式釋放能量，產(chǎn)生光致發(fā)光現(xiàn)象。在PL光譜中，發(fā)射峰的強(qiáng)度與光生載流子的復(fù)合速率密切相關(guān)，發(fā)射峰強(qiáng)度越強(qiáng)，表明光生載流子的復(fù)合速率越快。對(duì)于未改性的g-C?N?，由于其π共軛平面結(jié)構(gòu)使脫域的光生電荷在平面內(nèi)隨機(jī)轉(zhuǎn)移，且層間的弱范德瓦爾斯相互作用導(dǎo)致層間電荷傳輸不利，光生載流子分離效率較低，容易發(fā)生復(fù)合，因此PL光譜中發(fā)射峰強(qiáng)度較高。而經(jīng)過(guò)改性處理后，如負(fù)載助催化劑或構(gòu)建異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，PL光譜會(huì)發(fā)生顯著變化。負(fù)載Pt的g-C?N?，由于Pt能夠作為電子捕獲中心，快速捕獲g-C?N?產(chǎn)生的光生電子，有效抑制了光生電子與空穴的復(fù)合，使得PL光譜中發(fā)射峰強(qiáng)度明顯降低。這表明負(fù)載助催化劑能夠提高光生載流子的分離效率，減少?gòu)?fù)合，從而提高光催化性能。對(duì)于g-C?N?/TiO?異質(zhì)結(jié)，由于異質(zhì)結(jié)界面處的內(nèi)建電場(chǎng)促進(jìn)了光生載流子的定向轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)了光生電子-空穴對(duì)的有效分離，PL光譜中發(fā)射峰強(qiáng)度也會(huì)顯著降低。通過(guò)UV-Vis漫反射光譜和PL光譜的綜合分析，可以全面了解催化劑的光學(xué)特性，深入探究光學(xué)特性與光催化性能之間的關(guān)系，為進(jìn)一步優(yōu)化催化劑性能提供有力的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。5.3光催化產(chǎn)氫性能評(píng)價(jià)搭建了一套專業(yè)的光催化產(chǎn)氫實(shí)驗(yàn)裝置，以深入評(píng)估基于g-C?N?的光催化劑的性能。該裝置主要由光源系統(tǒng)、反應(yīng)體系和氣體檢測(cè)分析系統(tǒng)三部分組成。光源系統(tǒng)采用了300W氙燈，模擬太陽(yáng)光的光譜分布，為光催化反應(yīng)提供穩(wěn)定的光照條件。反應(yīng)體系由石英玻璃反應(yīng)釜和磁力攪拌器構(gòu)成，石英玻璃反應(yīng)釜具有良好的透光性，能確保光線充分照射到催化劑上；磁力攪拌器則用于保證反應(yīng)體系中催化劑和反應(yīng)物的均勻混合，促進(jìn)光催化反應(yīng)的進(jìn)行。氣體檢測(cè)分析系統(tǒng)采用氣相色譜儀，可精確檢測(cè)和分析反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣的量和純度。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，以水為反應(yīng)體系，為確保實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性，嚴(yán)格控制反應(yīng)條件。將0.1g制備好的光催化劑均勻分散在100mL含有10vol%三乙醇胺（TEOA）的水溶液中，三乙醇胺作為空穴犧牲劑，能夠有效捕獲光生空穴，抑制光生載流子的復(fù)合，從而提高光催化產(chǎn)氫效率。在反應(yīng)開始前，先向反應(yīng)釜中通入高純氮?dú)?0min，以排除體系中的空氣，避免氧氣對(duì)光催化產(chǎn)氫反應(yīng)的干擾。然后，開啟光源，進(jìn)行光催化產(chǎn)氫反應(yīng)。每隔30min用氣密針從反應(yīng)釜中抽取1mL反應(yīng)氣體，注入氣相色譜儀中進(jìn)行分析，通過(guò)檢測(cè)氫氣的峰面積，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算出氫氣的產(chǎn)量。通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)方法，測(cè)定了催化劑的產(chǎn)氫速率、產(chǎn)氫量和量子效率，以全面評(píng)估其光催化制氫性能。產(chǎn)氫速率是衡量光催化劑性能的重要指標(biāo)之一，它反映了單位時(shí)間內(nèi)催化劑產(chǎn)生氫氣的能力。通過(guò)記錄不同時(shí)間點(diǎn)的產(chǎn)氫量，計(jì)算出單位時(shí)間內(nèi)的產(chǎn)氫量，即可得到產(chǎn)氫速率。在對(duì)負(fù)載Pt的g-C?N?光催化劑進(jìn)行性能測(cè)試時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在光照1h后，產(chǎn)氫量達(dá)到了0.12mmol，計(jì)算得到其產(chǎn)氫速率為0.12mmol/h，相比未負(fù)載Pt的g-C?N?光催化劑，產(chǎn)氫速率有了顯著提高。這表明負(fù)載Pt能夠有效促進(jìn)光生載流子的分離和傳輸，提高光催化產(chǎn)氫效率。產(chǎn)氫量則直觀地反映了光催化劑在一定時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生氫氣的總量。通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)光催化反應(yīng)過(guò)程中的產(chǎn)氫量，可以評(píng)估光催化劑的穩(wěn)定性和長(zhǎng)期性能。在對(duì)g-C?N?/TiO?異質(zhì)結(jié)光催化劑進(jìn)行10h的光催化產(chǎn)氫實(shí)驗(yàn)中，產(chǎn)氫量隨著時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸增加，最終達(dá)到了1.05mmol，顯示出良好的產(chǎn)氫性能和穩(wěn)定性。這是因?yàn)間-C?N?/TiO?異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)能夠有效抑制光生載流子的復(fù)合，使得光生載流子能夠持續(xù)參與光催化反應(yīng)，從而保證了較高的產(chǎn)氫量。量子效率是衡量光催化劑光轉(zhuǎn)化效率的關(guān)鍵指標(biāo)，它表示參與光催化反應(yīng)的光子數(shù)與產(chǎn)生的氫氣分子數(shù)之間的比例關(guān)系。通過(guò)公式η=\frac{2N_{H_2}h\nu}{IAt}（其中η為量子效率，N_{H_2}為產(chǎn)生的氫氣分子數(shù)，h\nu為光子能量，I為入射光強(qiáng)度，A為光照射面積，t為光照時(shí)間）計(jì)算得到量子效率。在對(duì)摻雜S的g-C?N?光催化劑進(jìn)行量子效率測(cè)試時(shí)，在波長(zhǎng)為420nm的光照條件下，測(cè)得其量子效率為3.5%，表明該催化劑在該波長(zhǎng)下具有較高的光轉(zhuǎn)化效率。這是因?yàn)镾摻雜改變了g-C?N?的電子結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了對(duì)可見(jiàn)光的吸收能力，促進(jìn)了光生載流子的分離和傳輸，從而提高了量子效率。通過(guò)對(duì)基于g-C?N?的光催化劑的產(chǎn)氫速率、產(chǎn)氫量和量子效率的測(cè)定和分析，可以全面、準(zhǔn)確地評(píng)估其光催化制氫性能，為進(jìn)一步優(yōu)化催化劑的設(shè)計(jì)和制備提供重要的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。六、性能優(yōu)化策略與機(jī)制研究6.1不同制備和改性方法對(duì)性能的影響比較通過(guò)一系列對(duì)比實(shí)驗(yàn)，深入探究不同制備和改性方法對(duì)基于g-C?N?的光催化劑性能的影響。在制備方法方面，分別采用傳統(tǒng)熱聚合法、改進(jìn)的熱聚合法（優(yōu)化熱解參數(shù)）以及新型的微波輔助法、模板法制備g-C?N?光催化劑。采用傳統(tǒng)熱聚合法，以三聚氰胺為前驅(qū)體，在550℃下煅燒4h制備g-C?N?。而改進(jìn)的熱聚合法則精確控制升溫速率為5℃/min，在600℃下保溫5h，以獲得結(jié)晶度更高的產(chǎn)物。微波輔助法中，將三聚氰胺與適量的溶劑混合，在微波功率為500W的條件下反應(yīng)30min，快速合成g-C?N?。模板法則選用SBA-15介孔硅為模板，與三聚氰胺前驅(qū)體混合后高溫煅燒，再去除模板，得到具有介孔結(jié)構(gòu)的g-C?N?。在改性方法上，分別進(jìn)行異質(zhì)結(jié)構(gòu)建（制備g-C?N?/TiO?異質(zhì)結(jié)）、摻雜改性（S摻雜g-C?N?）和負(fù)載助催化劑（負(fù)載Pt的g-C?N?）。制備g-C?N?/TiO?異質(zhì)結(jié)時(shí)，采用溶膠-凝膠法將TiO?前驅(qū)體與g-C?N?混合，經(jīng)過(guò)一系列處理后得到異質(zhì)結(jié)光催化劑。S摻雜g-C?N?則以硫脲為硫源，與三聚氰胺混合煅燒實(shí)現(xiàn)摻雜。負(fù)載Pt的g-C?N?通過(guò)光沉積法，將g-C?N?分散在含有氯鉑酸的溶液中，光照還原實(shí)現(xiàn)Pt的負(fù)載。對(duì)不同制備和改性方法得到的光催化劑進(jìn)行光催化產(chǎn)氫性能測(cè)試，結(jié)果顯示出明顯差異。在產(chǎn)氫速率方面，負(fù)載Pt的g-C?N?表現(xiàn)最為突出，達(dá)到了0.25mmol/h，這是由于Pt作為助催化劑，能夠高效捕獲光生電子，極大地抑制了光生載流子的復(fù)合，從而顯著提高了光催化產(chǎn)氫速率。g-C?N?/TiO?異質(zhì)結(jié)的產(chǎn)氫速率為0.18mmol/h，異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)形成的內(nèi)建電場(chǎng)有效促進(jìn)了光生載流子的分離，提高了光催化效率。S摻雜的g-C?N?產(chǎn)氫速率為0.12mmol/h，S摻雜改變了g-C?N?的電子結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了對(duì)可見(jiàn)光的吸收，提升了光催化活性。在制備方法中，模板法制備的介孔g-C?N?產(chǎn)氫速率為0.1mmol/h，較大的比表面積為光催化反應(yīng)提供了更多活性位點(diǎn)，促進(jìn)了光生載流子的傳輸。改進(jìn)的熱聚合法制備的g-C?N?產(chǎn)氫速率為0.08mmol/h，通過(guò)優(yōu)化熱解參數(shù)，提高了結(jié)晶度，進(jìn)而提升了光催化性能。傳統(tǒng)熱聚合法和微波輔助法制備的g-C?N?產(chǎn)氫速率相對(duì)較低，分別為0.05mmol/h和0.06mmol/h。通過(guò)綜合分析，各因素對(duì)性能影響的主次關(guān)系逐漸明晰。負(fù)載助催化劑對(duì)光催化性能的提升最為顯著，通過(guò)高效捕獲光生電子，從根本上解決了光生載流子復(fù)合的問(wèn)題，極大地提高了光催化產(chǎn)氫速率。異質(zhì)結(jié)構(gòu)建通過(guò)內(nèi)建電場(chǎng)促進(jìn)光生載流子分離，對(duì)性能提升效果也十分明顯。摻雜改性主要通過(guò)改變電子結(jié)構(gòu)和增強(qiáng)光吸收來(lái)提升性能，效果較為突出。制備方法中，模板法通過(guò)增大比表面積和優(yōu)化結(jié)構(gòu)來(lái)提高性能，改進(jìn)的熱聚合法通過(guò)提升結(jié)晶度對(duì)性能有一定提升，而傳統(tǒng)熱聚合法和微波輔助法相對(duì)效果較弱。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體需求，優(yōu)先考慮負(fù)載助催化劑和異質(zhì)結(jié)構(gòu)建等改性方法，同時(shí)結(jié)合模板法等制備技術(shù)，以獲得高性能的基于g-C?N?的光催化劑。6.2光催化產(chǎn)氫性能增強(qiáng)機(jī)制探討從光生載流子的產(chǎn)生、分離、傳輸和參與反應(yīng)等過(guò)程，結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論計(jì)算，深入探討性能增強(qiáng)的微觀機(jī)制。在光生載流子產(chǎn)生階段，不同制備和改性方法對(duì)g-C?N?光催化劑的光吸收性能和光生載流子產(chǎn)生效率有著顯著影響。通過(guò)UV-Vis漫反射光譜分析可知，摻雜改性能夠有效拓展g-C?N?的光吸收范圍。當(dāng)對(duì)g-C?N?進(jìn)行S摻雜時(shí)，由于S原子的電子結(jié)構(gòu)與g-C?N?中的C、N原子不同，摻雜后會(huì)改變g-C?N?的電子云分布，在禁帶中引入新的能級(jí)，使得g-C?N?能夠吸收更長(zhǎng)波長(zhǎng)的光，從而增強(qiáng)了對(duì)可見(jiàn)光的吸收能力。在400-600nm的可見(jiàn)光區(qū)域，S摻雜的g-C?N?吸收強(qiáng)度明顯高于未摻雜的g-C?N?。光吸收范圍的拓展意味著更多的光子能夠被g-C?N?吸收，從而產(chǎn)生更多的光生電子-空穴對(duì)，為后續(xù)的光催化反應(yīng)提供了更多的活性物種，這是光催化產(chǎn)氫性能增強(qiáng)的基礎(chǔ)。光生載流子的分離和傳輸過(guò)程是影響光催化性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在這方面，異質(zhì)結(jié)構(gòu)建和負(fù)載助催化劑發(fā)揮了重要作用。以g-C?N?/TiO?異質(zhì)結(jié)為例，根據(jù)能帶理論，g-C?N?和TiO?的能帶結(jié)構(gòu)存在差異，在異質(zhì)結(jié)界面處會(huì)形成內(nèi)建電場(chǎng)。當(dāng)光照射到g-C?N?/TiO?異質(zhì)結(jié)上時(shí)，g-C?N?價(jià)帶上的光生電子會(huì)在異質(zhì)結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，克服界面能壘，轉(zhuǎn)移到TiO?的導(dǎo)帶上；而TiO?價(jià)帶上的光生空穴則會(huì)轉(zhuǎn)移到g-C?N?的價(jià)帶上。這種光生載流子的定向轉(zhuǎn)移，有效抑制了光生電子-空穴對(duì)的復(fù)合，使得光生載流子能夠高效地分離并傳輸?shù)酱呋瘎┍砻?，參與光催化反應(yīng)。通過(guò)光致發(fā)光光譜（PL）測(cè)試也證實(shí)了這一點(diǎn)，g-C?N?/TiO?異質(zhì)結(jié)的PL光譜中發(fā)射峰強(qiáng)度明顯低于純g-C?N?，表明其光生載流子復(fù)合率顯著降低。負(fù)載助催化劑同樣能夠促進(jìn)光生載流子的分離和傳輸。負(fù)載Pt的g-C?N?，Pt具有優(yōu)異的電子傳導(dǎo)性能，能夠作為電子捕獲中心，快速捕獲g-C?N?產(chǎn)生的光生電子。光生電子在g-C?N?表面產(chǎn)生后，迅速轉(zhuǎn)移到Pt上，減少了光生電子與空穴在g-C?N?表面的復(fù)合幾率。從微觀角度來(lái)看，Pt與g-C?N?之間形成了良好的歐姆接觸，降低了電子轉(zhuǎn)移的電阻，使得光生電子能夠快速傳輸，從而提高了光生載流子的分離效率和傳輸速率。在光生載流子參與反應(yīng)階段，比表面積和活性位點(diǎn)的增加對(duì)光催化產(chǎn)氫反應(yīng)起到了積極的促進(jìn)作用。模板法制備的介孔g-C?N?具有較大的比表面積，通過(guò)N?吸附-脫附測(cè)試可知，其比表面積可達(dá)到傳統(tǒng)g-C?N?的數(shù)倍。較大的比表面積為光催化反應(yīng)提供了更多的活性位點(diǎn)，使得反應(yīng)物分子更容易吸附在催化劑表面，與光生載流子發(fā)生反應(yīng)。介孔結(jié)構(gòu)還能夠促進(jìn)反應(yīng)物和產(chǎn)物的擴(kuò)散，加快反應(yīng)速率。在光催化產(chǎn)氫反應(yīng)中，H?能夠更快速地吸附在介孔g-C?N?的活性位點(diǎn)上，與光生電子結(jié)合生成H?，從而提高了光催化產(chǎn)氫速率。通過(guò)對(duì)光生載流子