MoS2/金属-有机框架材料（MOFs）/g-C3N4纳米复合结构的构建、形成机制及光催化性能研究

Polymeric graphitic carbon nitride (g-C3N4) shows broad and important application in photocatalytic hydrogen evolution due to its appropriate band structure, stable properties and low cost, but its applications are restricted by its relatively small specific surface area, low visible light absorption and high photo-generated carriers recombination to some extent. The main research objective of this propose is to fabricate MoS2/metal-organic framework(MOFs)/g-C3N4 nano-composite structure and study their photocatalytic performance. The nano-layered g-C3N4 after band structure control and performance optimization is used as photocatalytic active materials, and then MOFs with high specific surface area and good photo-generated carriers transport ability as well as MoS2 as photocatalytic promoter are both deposited on the g-C3N4 nanolayers to form the MoS2/MOFs/g-C3N4 nano-composite structure. The control mechanism and optimization methods of the morphology, band structure and surface state of the g-C3N4 as well as the key factors and formation mechanism of the MoS2 and MOFs on the nano-layered g-C3N4 will be systematically studied. The interfacial characteristics of the nano-composite structure and the interaction between every component, water and photons in the nano-composite structure will be researched. At the same time, the generation, transportation and utilization process of the charge carriers on the surface and inside of the MoS2/MOFs/g-C3N4 nano-composite structure will also evaluated. During the research process, a high efficient, stable and low-cost photocatalytic materials for hydrogen evolution will be fabricated, and the obtained research results will provide theoretical direction and technological approach for the new style water splitting system with high conversion efficiency.

石墨相氮化碳（g-C3N4）具有适宜的能带结构，性质稳定，成本低，在光催化产氢方面极具应用前景。但其比表面积小、可见光吸收能力低、光生载流子复合率高等问题限制了应用。本课题以MoS2/金属-有机框架材料（MOFs）/g-C3N4纳米复合结构的构建及其光催化性能为研究目标，在能带调控及性能优化后的层状g-C3N4表面负载比表面积大且具载流子传输能力的MOFs和光吸收性能好且电子捕获能力强的助催化剂MoS2，以获得高催化活性的纳米复合结构。研究g-C3N4形态、能带结构及表面状态的调控机制及优化方法，探讨MoS2及MOFs在g-C3N4表面沉积的关键因素及调控机理，探明纳米复合结构内部的界面特性、各组元/纳米复合结构与光子及水分子的相互作用，研究复合结构表面/内部载流子的产生、输运及利用机理。该结果有望获得高效稳定低成本的光解水产氢材料，为新型高效光解水产氢系统的开发提供理论指导和技术途经。

石墨相氮化碳（g-C3N4）具有适宜的能带结构，性质稳定，成本低，在光催化产氢方面极具应用前景。但其比表面积小、可见光吸收能力低、光生载流子复合率高等问题限制了应用。本课题以g-C3N4为主催化剂材料，通过能带结构调控、表界面工程及结构设计，制备出不同形态（块状、纳米片状、叶绿体基粒状及三维网络结构等）的g-C3N4，并对其结构、性能进行系统表征与分析对比。研究结果表明，与煅烧方法获得的普通块状g-C3N4相比，纳米片状、叶绿体基粒状及三维网络结构的g-C3N4比表面积更大，表面活性位点更多，因而三者的可见光催化产氢速率更高。本课题首次以氯化钠为模板，辅助热煅烧的方法成功制备了三维网络g-C3N4，与块状g-C3N4相比，其载流子的分离效率及传输速率更高，可见光催化产氢速率可达1590μmol•g-1•h-1g。通过控制g-C3N4形成过程，成功获得离子掺杂叶绿体基粒状g-C3N4，其比表面积达149.40 m2/g（约为块状g-C3N4的8倍），可见光催化产氢速率高达2600 μmol•g-1•h-1。为了进一步提升和优化g-C3N4的光催化性能，将其与不同助催化剂进行复合，结果表明，将二维层状MoS2与纳米片状g-C3N4进行复合，不会改变g-C3N4的纳米片结构，同时，与纳米片状g-C3N4相比，g-C3N4/MoS2纳米复合结构的吸收边红移明显，且载流子复合率明显降低，同时，随着MoS2负载量的增加，吸收边红移越明显，载流子复合率越低，在极少量Pt助催化剂存在的情况下，g-C3N4/MoS2异质结的产氢速率可达1567μmol•g-1•h-1g。为了提升g-C3N4自身的导电性，本课题亦采取盐模板法辅助煅烧的方法制备了三维碳/g-C3N4纳米复合材料。采用不同前驱体合成了MOFs，并对其工艺进行了优化，同时制备了性质稳定、结构可调的MOFs衍生TiO2，将其与改性的超薄g-C3N4片进行复合，结果表明，其可见光催化产氢速率达836μmol•g-1•h-1g，在对其进行N双功能改性的条件下，其无Pt助催化剂的情况下产氢速率提升至390μmol•g-1•h-1g，且展现出优异的光催化稳定性。建立了不同材料和复合体系的光催化剂可见光催化制氢的催化模型，系统研究了复合结构表面/内部载流子的产生、输运及利用机理。