氧(硫/磷)双掺杂g-C3N4体系的构建及其用于可见光催化固氮的研究

Graphitic carbon nitride (g-C3N4) is a polymeric visible-light photocatalyst attracting much attention in recent years. The development of g-C3N4 focuses on the enhancement of its visible light photocatalytic activity and the expansion of its application field. In view of these two points, O(S/P) co-doped g-C3N4 system will be fabricated and used for visible light catalytic nitrogen fixation. On the one hand, O(S/P) co-doped porous g-C3N4 (g-C3N4 nanosheet) with enhanced visible light response, appropriate electronic band structure and high mobility of photoinduced charge carriers, will be synthesized by optimizing the preparation parameters. The pathway of heteroatoms doping and the variation of the microstructure will be clarified to provide a guideline for the preparation of other heteroatom-doped g-C3N4 catalysts. On the other hand, the O(S/P) co-doped g-C3N4 will be used in visible light photocatalytic nitrogen fixation, and the correlation of catalyst property and nitrogen fixation efficiency will be discussed. In addition, the reaction mechanism of nitrogen fixation over O(S/P) co-doped g-C3N4 will be proposed. The results will provide a technical assistance not only for the design of catalysts with high nitrogen fixation efficiency, but also for the promotion of practical application of visible light photocatalytic nitrogen fixation.

石墨相氮化碳（g-C3N4）是近年来备受关注的可见光催化剂，提高光催化性能和拓宽应用范围是g-C3N4的主要发展方向。针对这两点，本项目拟设计构建氧(硫/磷)双掺杂g-C3N4体系，并将其用于可见光催化固氮反应。一方面，通过调控聚合反应参数，获得具有良好的可见光响应、合适的能带结构和高载流子迁移率的氧(硫/磷)双掺杂g-C3N4多孔材料/纳米薄片；明确催化剂构建过程中杂原子掺杂的路径和形貌变化的规律，为杂原子掺杂g-C3N4催化剂的可控制备提供理论依据。另一方面，将所得氧(硫/磷)双掺杂g-C3N4体系用于可见光催化固氮反应，明确催化剂特性与固氮效率间的构效关系，阐明固氮反应机理，为开发高效固氮催化剂，促进可见光催化固氮的实际应用提供技术支持。

光催化固氮技术可在温和的条件下将光能转化为化学能，进而还原氮气为氨。该技术能耗低、污染小，在氨的绿色生产方面具有较大的发展潜力，并有望缓解因哈柏固氮工艺所造成的环境污染问题。石墨相氮化碳（graphitic carbon nitride, g-C3N4）因其制备简单、性质稳定、可吸收利用可见光等优点，近年来在光催化领域备受关注。然而，由于体相g-C3N4的光生载流子分离效率较低，将其直接应用于光催化固氮远不能达到理想的效果。本项目以提高可见光催化固氮活性、揭示催化剂中杂原子掺杂的作用原理为目标，设计制备了几类改性g-C3N4光催化剂，分析了其物化结构和光电特征，并将其用于光催化固氮，进一步研究了材料特性与光催化固氮效率间的构效关系，探讨了光催化固氮机理。.首先，本项目通过形貌调控手段，分别制备了醇刻蚀和富氨g-C3N4纳米薄片，探究了其在光催化固氮中的性能以及表观形貌调控对光电特性和催化活性的影响，结果表明，二维纳米薄片结构能明显增大催化剂的比表面积，且氨基官能化能调变催化剂的电子结构。其次，对g-C3N4进行单元素掺杂，分别得到O、S、Te掺杂的g-C3N4催化剂，杂原子掺杂会取代g-C3N4结构中的氮原子，改变其电子能带结构，从而影响固氮效率。最后，对g-C3N4进行双元素掺杂，获得了Co/O、C/O、O/S双掺杂的g-C3N4，探究了两种掺杂元素的相互作用，以及对光催化固氮性能的影响。本项目的研究结果不仅可为开发高效的光催化剂设计制备提供有益指导，而且对探索新型固氮技术，提升产氨效率亦具有重要意义。