类石墨烯氮化碳纳米片负载二氧化钛复合光催化剂:能带调控与结构设计

Semiconductor photocatalysis is one of the most effective solutions for environment pollution and energy crisis. The core target is to explore the cheap photocatalysts with high quantum efficiency, high solar-light utilization, and high specific surface area. The project combines the advantages and disadvantages of inorganic semiconductor TiO2 and polymer semiconductor g-C3N4. Through combining incorporation, doping, and exfoliation together, constructing and energy band engineering of graphene-analogue g-C3N4 nanosheets/TiO2 heterojunction structures are expected to be achieved. According to the shortcomings of conventional g-C3N4, such as low solar-light utilization and specific surface area, the methodology of doping and exfoliation will be systematically studied. Based on it, the interfacial assembling modes for composite materials will be established at microscale, which will improve the quantum efficiency and carriers transfer efficiency of any single component. Taking gas/liquid-phase degradation of pollutant as model reaction, the synergetic enhancement mechanism in the composite photocatalytic system will be proposed. Also, the influence of structure, composition, and incorporation mode on the synergistic effect will be discussed. The project is to modify the materials from the aspects of structure design and preparation method, it will not only achieve the above-mentioned core targets, but also facilitate the design and synthesis of photocatalysts with much better performance. The project can act as a representative case in terms of promoting the intersection and integration of inorganic synthesis chemistry with catalysis, environment, and energy science.

半导体光催化技术是解决环境污染和能源危机的有效手段之一，其核心目标是探寻高量子效率、高太阳光利用率和高比表面积的廉价光催化剂。本项目综合无机半导体二氧化钛和聚合物半导体石墨相氮化碳的优劣，将传统氮化碳的复合、掺杂、剥离有机融入一体，拟设计构筑类石墨烯氮化碳纳米片/二氧化钛复合结构并对其进行能带调控。首先针对传统氮化碳光利用率和表面积低的缺陷，系统研究掺杂与剥离方法，在此基础上，建立微观尺度复合材料界面组装方式，以改善单一材料的量子效率和载流子传输效率。以气/液相污染物降解为模型反应，研究复合体系的光催化协同增强机理，并探索结构、组成与复合方式对协同效应的影响机制。本项目从结构设计与制备方法的源头上对材料改性，不仅有望实现上述核心目标，而且有助于设计合成性能更加优异的光催化材料，促进无机合成化学与催化、环境、能源科学的交叉和融合。

半导体光催化技术是解决环境污染和能源危机的有效手段之一，其核心目标是探寻高量子效率、高太阳光利用率和高比表面积的廉价光催化剂。本项目首先针对块体氮化碳(CN)量子效率、可见光利用率和比表面积低的缺陷，系统研究CN的掺杂与剥离方法，建立微观尺度类石墨烯氮化碳纳米片(CN-NSs)与TiO2的界面复合方法，以改善单一材料的量子效率和载流子传输效率。以污染物降解与分解水制氢为模型反应，研究了CN改性与TiO2复合对光催化效率与协同增强机理的影响。在此基础上，将建立的微观尺度无机-有机聚合物复合材料的组装方法，扩展制备了多种CN-NSs基复合光催化材料。最后，从进一步提高比表面积的角度，延伸至氮掺杂碳组装金属或金属氧化物催化剂的研究。. 取得的重要结果及关键数据如下：(1) 实现了CN的带隙调控，可见光响应与电子传输效率显著提高，表现为增强的可见光催化活性。(2) 以剥离的CN-NSs为模板剂制备了一系列TiO2/CN-NSs复合光催化剂，实现了比表面积和量子效率的改善，比表面积最高为234.0 m2 g−1，远高于文献报道的类似复合材料，全光谱催化产氢效率高达735.8 μmol h–1，可见光催化产氢效率最高为212.7 μmol h–1，并提出了不同光激发下复合体系的协同作用机制。(3) 将建立的微观组装方法，扩展至构筑CN-NSs/聚苯胺/ZnO新型三元可见光催化剂、具近红外光响应的CN-NSs/上转换发光材料复合光催化剂、CN-NSs/石墨烯的二维/二维复合高效光催化剂，分别实现了CN光催化剂的可见至近红外光的宽光谱响应与高效的载流子分离效率。(4) 以有机聚合物为氮掺杂碳材料的前躯体，延伸至制备多孔碳负载金属或金属氧化物催化剂，进一步改善比表面积，最高可达933 m2 g-1，对提高催化剂的分散性、活性及稳定性提出了新的思路。. 本项目的研究从结构设计与制备方法的源头上对材料改性，设计构筑无机-有机聚合物纳米复合材料，不仅可为类似复合材料的制备提供方法和原理借鉴，而且有助于设计合成性能更加优异的光/电催化材料，拓展在环境净化和能量转化领域的应用。