八元碳氮环纳米结构材料的可控制备、形成机理及其可见光催化固氮性能

Because of the strong van der waals forces between two adjacent layers, graphitic carbon nitride with tri-s-triazine as structural unit has small specific surface area, less active site and low separation rate of the photogenerated carriers. This project intends to adopt a new reaction path and supramolecular self-assembly design concept to control the synthesis of eight-membered carbon nitrogen ring nanostructure material. The surface characteristics, carrier separation and catalytic properties were studied for visible-light photocatalytic nitrogen fixation. The key problems such as the formation mechanism and the relationship between the microstructure and catalytic properties of the eight-membered carbon nitrogen ring nanostructure material were discussed. The eight-membered carbon nitrogen ring nanostructure material can be controlled synthesis and catalytic performance can be improvement through the optimization of the reaction parameters. The formation mechanism of the eight-membered carbon nitrogen ring nanostructure material will be inferred according to the analysis of morphology, microstructure and atomic composition. The band gap, the band position and photogenerated carriers lifetime of the eight-membered carbon nitrogen ring nanostructure material can be detected by correlation spectroscopy. The photocatalytic reaction mechanism of nitrogen fixation will be elucidated via the analysis of the kinetic parameters. Moreover, the attenuation law of the catalytic activity and regeneration mechanism of the catalyst will be studied. Overall, the implementation of the project not only has theoretical significance, but also helps to promote the practical process of photocatalytic nitrogen fixation.

三均三嗪环为结构单元的石墨相氮化碳由于其层间较强的范德华力，从而存在层与层紧密堆叠，比表面积小，有效活性位点少且光生载流子分离效率低等问题。本项目拟利用脒基甲酸关环反应特性实现新的合成路径，并通过超分子自组装的设计理念，控制合成八元碳氮环纳米结构材料。面向光催化固氮，研究其表界面特性、载流子分离效应和催化性能。围绕材料的形成机理及微观结构与催化性能间的关系等关键科学问题，通过反应参数的优化，实现其可控制备，并提高其催化性能。八元碳氮环纳米结构材料及其形成过程中的形貌、微观结构、原子组成等信息将通过相关表征手段分析，并据此推断其形成机理；八元碳氮环纳米结构材料的带隙、能带位置和光生载流子的寿命可通过相关波谱技术进行检测，结合反应动力学参数分析，研究并阐明光催化固氮反应机制。同时，研究催化剂活性衰减规律，探索其再生机制。项目的实施不仅具有理论意义，还有助于推动光催化固氮技术的实用化进程。

随着全球能源危机的不断加剧和环境污染的日益严重，寻找绿色能源、治理环境污染、提高生产工艺都已经成为当今世界的研究热点。石墨相氮化碳是一种典型的非金属半导体材料，因具有独特的半导体光学特性和优异的化学稳定性引起了科研工作者的广泛关注。近年来不仅作为非金属催化剂应用于光解水、电催化和氧还原等环境和能源领域，还作为催化剂载体构建和制备了钯、铂、金等贵金属负载的纳米复合材料，并应用于有机催化等诸多领域。本项目以设计和制备基于新型氮环纳米结构材料入手，着重研究基于氮环纳米结构材料的形成机理，化学特性，和电子结构，并进一步在其表面负载单原子（Co，Fe），构建单原子催化体系，获得一系列具有独特结构的氮环纳米结构材料，并重点研究了氮环纳米结构材料作为析氢反应以及固氮反应光催化剂的相关性能，较为深入的探讨了复合体系中各组分之间的相互作用，以及微观结构与性能之间的构效关系。单原子分散钴碳氮环纳米结构复合催化剂作为光催化析氢反应和固氮反应催化剂时，单原子分散钴碳氮环纳米结构复合催化剂表现出优异的固氮性能。这主要归因于单原子分散钴碳氮环纳米结构复合催化剂不仅完整保留了金属钴和碳氮环纳米结构的基本结构，而且由于各组分间的强配位结合，引发了协同效应。DFT理论分析也表明，单原子钴的存在可以显著降低碳氮环纳米结构的能带带隙，优化电子结构，提高的d带中心位置，增强LUMO能级中光生电子的还原性，并为光催化反应提供了更多的反应活性位。项目的实施不仅具有理论意义，还有助于推动光催化固氮技术的实用化进程。