g-C3N4蛭石復(fù)合光催化材料：制備、改性與性能研究一、引言1.1研究背景與意義在當(dāng)今社會(huì)，能源短缺與環(huán)境污染已成為制約人類可持續(xù)發(fā)展的兩大關(guān)鍵難題。傳統(tǒng)化石能源的過(guò)度開(kāi)采與使用，不僅導(dǎo)致其儲(chǔ)量日益減少，還引發(fā)了一系列嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題，如大氣污染、水污染以及土壤污染等，對(duì)生態(tài)平衡和人類健康構(gòu)成了極大威脅。在此背景下，開(kāi)發(fā)高效、清潔且可持續(xù)的技術(shù)來(lái)應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)迫在眉睫，光催化技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，成為了研究的焦點(diǎn)。光催化技術(shù)作為一種以太陽(yáng)能為驅(qū)動(dòng)能源的綠色技術(shù)，具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。太陽(yáng)能作為一種取之不盡、用之不竭的清潔能源，為光催化反應(yīng)提供了可持續(xù)的能量來(lái)源。在光催化過(guò)程中，光催化劑在光照條件下能夠產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，這些活性物種可以引發(fā)一系列化學(xué)反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，或用于催化降解有機(jī)污染物、分解水制氫以及二氧化碳還原等重要反應(yīng)。在能源領(lǐng)域，光催化分解水制氫有望為未來(lái)的氫能經(jīng)濟(jì)提供關(guān)鍵技術(shù)支持，實(shí)現(xiàn)從太陽(yáng)能到氫能的直接轉(zhuǎn)化，為解決能源短缺問(wèn)題開(kāi)辟新的途徑。在環(huán)境領(lǐng)域，光催化技術(shù)能夠高效降解水中和空氣中的有機(jī)污染物，如揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）、染料、農(nóng)藥以及抗生素等，將其轉(zhuǎn)化為無(wú)害的二氧化碳和水等小分子物質(zhì)，從而達(dá)到凈化環(huán)境的目的；在光催化二氧化碳還原方面，該技術(shù)可將溫室氣體二氧化碳轉(zhuǎn)化為有價(jià)值的燃料或化學(xué)品，如甲烷、甲醇等，有助于緩解溫室效應(yīng)和實(shí)現(xiàn)碳循環(huán)。石墨相氮化碳（g-C?N?）作為一種新興的光催化材料，近年來(lái)受到了廣泛的關(guān)注。它是一種由sp2雜化的碳（C）和氮（N）原子通過(guò)共價(jià)σ鍵和π鍵連接，形成基于三嗪環(huán)和三-均-三嗪環(huán)結(jié)構(gòu)單元的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的有機(jī)聚合物半導(dǎo)體。g-C?N?具有獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，使其在光催化領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。它能夠被可見(jiàn)光激發(fā)，響應(yīng)波長(zhǎng)范圍較寬，可有效利用太陽(yáng)能中的可見(jiàn)光部分；g-C?N?具備無(wú)毒、價(jià)格低廉、易于制備和物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，這些特性使得它成為一種極具吸引力的光催化材料，有望在大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮重要作用。然而，盡管g-C?N?具備諸多優(yōu)點(diǎn)，但其光催化性能仍存在一些明顯的不足，限制了其進(jìn)一步的應(yīng)用和發(fā)展。g-C?N?的光生載流子復(fù)合速度較快，導(dǎo)致電子-空穴對(duì)容易在材料內(nèi)部復(fù)合，從而降低了光催化效率；其比表面積相對(duì)較小，活性位點(diǎn)有限，電荷轉(zhuǎn)移效率低下，且可見(jiàn)光吸收范圍較窄，這些缺點(diǎn)都極大地限制了g-C?N?在實(shí)際應(yīng)用中的催化性能和選擇性。為了克服g-C?N?的這些局限性，研究人員嘗試將其與其他材料復(fù)合，以制備出性能更優(yōu)異的復(fù)合光催化材料。蛭石作為一種層狀硅酸鹽礦物，具有較大的比表面積和獨(dú)特的層間結(jié)構(gòu)，使其成為一種理想的載體材料。蛭石的層間具有可交換的陽(yáng)離子，能夠通過(guò)離子交換作用與其他物質(zhì)進(jìn)行復(fù)合，并且其層間空間可以為g-C?N?的負(fù)載提供良好的環(huán)境，有效增加g-C?N?的分散性，減少其團(tuán)聚現(xiàn)象，從而提高光催化活性位點(diǎn)的數(shù)量。蛭石本身具有一定的吸附性能，能夠吸附有機(jī)污染物，將其富集在光催化劑表面，有利于光催化反應(yīng)的進(jìn)行。將g-C?N?與蛭石復(fù)合，有望實(shí)現(xiàn)兩者的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提高光催化材料的性能。通過(guò)合理設(shè)計(jì)和制備g-C?N?/蛭石復(fù)合光催化材料，可以充分發(fā)揮蛭石的載體作用和g-C?N?的光催化活性，有效改善g-C?N?的光生載流子分離效率、增加比表面積和活性位點(diǎn)數(shù)量，拓寬可見(jiàn)光吸收范圍，從而提高光催化性能，使其在能源轉(zhuǎn)化和環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域具有更廣闊的應(yīng)用前景。本研究致力于g-C?N?/蛭石復(fù)合光催化材料的制備與改性研究，具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。在理論方面，通過(guò)深入研究g-C?N?與蛭石之間的復(fù)合機(jī)制、界面相互作用以及光催化反應(yīng)機(jī)理，有助于進(jìn)一步揭示復(fù)合光催化材料的構(gòu)效關(guān)系，豐富和完善光催化理論體系，為開(kāi)發(fā)新型高效的光催化材料提供理論指導(dǎo)。在實(shí)際應(yīng)用方面，制備出的高性能g-C?N?/蛭石復(fù)合光催化材料有望應(yīng)用于污水處理、空氣凈化、光解水制氫以及二氧化碳還原等領(lǐng)域，為解決能源和環(huán)境問(wèn)題提供新的技術(shù)手段和材料選擇，對(duì)推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施具有積極的促進(jìn)作用。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀近年來(lái)，隨著環(huán)境問(wèn)題和能源危機(jī)的日益嚴(yán)峻，光催化技術(shù)作為一種綠色、可持續(xù)的解決方案，受到了全球科研人員的廣泛關(guān)注。石墨相氮化碳（g-C?N?）因其獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)和光催化活性，成為光催化領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。為了進(jìn)一步提高g-C?N?的光催化性能，將其與蛭石復(fù)合制備g-C?N?/蛭石復(fù)合光催化材料的研究也逐漸興起。在國(guó)外，對(duì)g-C?N?基復(fù)合材料的研究起步較早，且在基礎(chǔ)理論和應(yīng)用研究方面取得了一系列重要成果。科研人員在探索g-C?N?與蛭石復(fù)合的過(guò)程中，深入研究了復(fù)合機(jī)制和界面相互作用，通過(guò)先進(jìn)的表征技術(shù)如高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）、X射線光電子能譜（XPS）等，揭示了g-C?N?在蛭石表面的負(fù)載方式和化學(xué)鍵合情況，為優(yōu)化復(fù)合材料的制備工藝提供了理論依據(jù)。在應(yīng)用方面，國(guó)外研究人員將g-C?N?/蛭石復(fù)合光催化材料應(yīng)用于多種有機(jī)污染物的降解，如對(duì)持久性有機(jī)污染物多氯聯(lián)苯（PCBs）的降解研究中，發(fā)現(xiàn)該復(fù)合材料在可見(jiàn)光下表現(xiàn)出較高的催化活性，能夠有效將PCBs分解為無(wú)害的小分子物質(zhì)，展現(xiàn)出良好的環(huán)境修復(fù)潛力。在光解水制氫領(lǐng)域，通過(guò)合理調(diào)控g-C?N?與蛭石的比例和復(fù)合方式，制備出的復(fù)合光催化材料在光解水反應(yīng)中表現(xiàn)出較高的產(chǎn)氫速率，為氫能的高效制備提供了新的思路。國(guó)內(nèi)對(duì)于g-C?N?/蛭石復(fù)合光催化材料的研究也取得了顯著進(jìn)展。眾多科研團(tuán)隊(duì)致力于開(kāi)發(fā)新穎的制備方法，以實(shí)現(xiàn)g-C?N?與蛭石的均勻復(fù)合和高效協(xié)同作用。如采用原位聚合法，在蛭石的層間或表面原位生成g-C?N?，有效增強(qiáng)了兩者之間的相互作用，提高了復(fù)合材料的穩(wěn)定性和光催化性能；利用超聲輔助法，通過(guò)超聲的空化作用促進(jìn)g-C?N?在蛭石表面的分散和負(fù)載，制備出具有高比表面積和良好光催化活性的復(fù)合材料。在性能優(yōu)化方面，國(guó)內(nèi)研究人員通過(guò)對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行元素?fù)诫s、表面修飾等改性手段，進(jìn)一步拓展了其可見(jiàn)光吸收范圍，提高了光生載流子的分離效率和遷移速率。通過(guò)氮摻雜g-C?N?/蛭石復(fù)合材料，成功降低了材料的禁帶寬度，增強(qiáng)了對(duì)可見(jiàn)光的響應(yīng)能力，從而顯著提高了光催化降解有機(jī)染料的效率；對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行貴金屬表面修飾，引入的貴金屬納米顆粒作為電子捕獲中心，有效抑制了光生載流子的復(fù)合，提升了光催化活性。在實(shí)際應(yīng)用研究中，國(guó)內(nèi)研究將g-C?N?/蛭石復(fù)合光催化材料應(yīng)用于污水處理、空氣凈化等領(lǐng)域，取得了良好的效果。在污水處理方面，針對(duì)印染廢水、制藥廢水等難降解有機(jī)廢水，該復(fù)合材料表現(xiàn)出優(yōu)異的降解能力，能夠有效去除廢水中的有機(jī)污染物，降低化學(xué)需氧量（COD），使廢水達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)；在空氣凈化方面，用于去除室內(nèi)空氣中的甲醛、苯等揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs），顯著改善了室內(nèi)空氣質(zhì)量，為室內(nèi)環(huán)境凈化提供了新的技術(shù)手段。盡管國(guó)內(nèi)外在g-C?N?/蛭石復(fù)合光催化材料的研究方面取得了一定的成果，但目前仍存在一些問(wèn)題和挑戰(zhàn)。在制備方法上，現(xiàn)有的制備工藝大多較為復(fù)雜，成本較高，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，需要進(jìn)一步開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單、高效、低成本的制備技術(shù)；在性能優(yōu)化方面，雖然通過(guò)各種改性手段在一定程度上提高了復(fù)合材料的光催化性能，但光生載流子的復(fù)合問(wèn)題仍然沒(méi)有得到完全解決，光催化效率和穩(wěn)定性仍有待進(jìn)一步提高；在應(yīng)用研究方面，目前對(duì)g-C?N?/蛭石復(fù)合光催化材料的應(yīng)用研究主要集中在實(shí)驗(yàn)室階段，實(shí)際工程應(yīng)用案例較少，如何將實(shí)驗(yàn)室研究成果轉(zhuǎn)化為實(shí)際生產(chǎn)力，實(shí)現(xiàn)該材料的大規(guī)模應(yīng)用，還需要深入研究其在實(shí)際應(yīng)用中的長(zhǎng)期穩(wěn)定性、環(huán)境兼容性以及與現(xiàn)有處理工藝的協(xié)同性等問(wèn)題。此外，對(duì)于g-C?N?與蛭石之間的復(fù)合機(jī)制和光催化反應(yīng)機(jī)理的研究還不夠深入，缺乏系統(tǒng)的理論體系，這也限制了對(duì)材料性能的進(jìn)一步優(yōu)化和提升。綜上所述，未來(lái)g-C?N?/蛭石復(fù)合光催化材料的研究將朝著簡(jiǎn)化制備工藝、降低成本、提高性能、深入研究反應(yīng)機(jī)理以及推動(dòng)實(shí)際應(yīng)用等方向發(fā)展。通過(guò)多學(xué)科交叉融合，綜合運(yùn)用材料科學(xué)、化學(xué)工程、物理學(xué)等領(lǐng)域的知識(shí)和技術(shù)，有望突破現(xiàn)有技術(shù)瓶頸，開(kāi)發(fā)出性能更優(yōu)異、應(yīng)用更廣泛的g-C?N?/蛭石復(fù)合光催化材料，為解決能源和環(huán)境問(wèn)題做出更大的貢獻(xiàn)。1.3研究?jī)?nèi)容與方法1.3.1研究?jī)?nèi)容本研究圍繞g-C?N?/蛭石復(fù)合光催化材料展開(kāi)，具體研究?jī)?nèi)容涵蓋材料制備、改性以及性能研究三個(gè)主要方面。g-C?N?/蛭石復(fù)合光催化材料的制備：探索合適的制備方法，實(shí)現(xiàn)g-C?N?與蛭石的有效復(fù)合。考慮采用熱聚合法，將三聚氰胺作為制備g-C?N?的前驅(qū)體，使其在高溫下熱解生成g-C?N?，同時(shí)將蛭石作為載體，通過(guò)物理混合或化學(xué)結(jié)合的方式，使g-C?N?負(fù)載在蛭石表面或?qū)娱g。在此過(guò)程中，精確調(diào)控制備過(guò)程中的關(guān)鍵參數(shù)，如反應(yīng)溫度、時(shí)間以及g-C?N?與蛭石的質(zhì)量比例等。研究不同反應(yīng)溫度（如500℃、550℃、600℃）對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和性能的影響，分析隨著溫度升高，g-C?N?的結(jié)晶度、與蛭石的結(jié)合緊密程度如何變化，進(jìn)而影響復(fù)合材料的光催化性能；探討不同反應(yīng)時(shí)間（如1h、2h、3h）下，g-C?N?的聚合程度以及在蛭石上的負(fù)載情況，研究其對(duì)光催化活性的作用規(guī)律；通過(guò)改變g-C?N?與蛭石的質(zhì)量比（如1:1、2:1、3:1等），分析不同比例對(duì)復(fù)合材料比表面積、孔徑分布以及光生載流子傳輸特性的影響，以確定最佳的制備參數(shù)組合，制備出具有理想結(jié)構(gòu)和性能的g-C?N?/蛭石復(fù)合光催化材料。g-C?N?/蛭石復(fù)合光催化材料的改性：為進(jìn)一步提升復(fù)合材料的光催化性能，采用多種改性手段對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。一方面，嘗試元素?fù)诫s改性，選擇合適的金屬元素（如Fe、Cu、Ag等）或非金屬元素（如B、P、S等）對(duì)g-C?N?/蛭石復(fù)合材料進(jìn)行摻雜。研究不同元素?fù)诫s對(duì)復(fù)合材料能帶結(jié)構(gòu)的影響，通過(guò)計(jì)算摻雜前后材料的禁帶寬度變化，分析元素?fù)诫s如何調(diào)節(jié)光生載流子的激發(fā)和傳輸；探究摻雜元素對(duì)光生載流子復(fù)合速率的影響，利用熒光光譜等手段，監(jiān)測(cè)摻雜前后光生載流子的復(fù)合過(guò)程，從而明確摻雜元素抑制復(fù)合的作用機(jī)制；另一方面，進(jìn)行表面修飾改性，利用表面活性劑、有機(jī)分子或納米粒子對(duì)復(fù)合材料表面進(jìn)行修飾。分析表面修飾對(duì)復(fù)合材料表面電荷分布的影響，研究表面修飾如何改變材料表面的親疏水性，進(jìn)而影響光催化反應(yīng)中反應(yīng)物的吸附和產(chǎn)物的脫附過(guò)程，以及對(duì)光催化活性和選擇性的提升作用。g-C?N?/蛭石復(fù)合光催化材料的性能研究：全面評(píng)估制備和改性后的g-C?N?/蛭石復(fù)合光催化材料的性能。在光催化降解有機(jī)污染物方面，選取典型的有機(jī)污染物，如羅丹明B、亞甲基藍(lán)、苯酚等作為目標(biāo)污染物，在可見(jiàn)光照射下，進(jìn)行光催化降解實(shí)驗(yàn)。通過(guò)監(jiān)測(cè)不同時(shí)間點(diǎn)目標(biāo)污染物的濃度變化，繪制降解曲線，計(jì)算降解速率常數(shù)，對(duì)比不同制備和改性條件下復(fù)合材料的光催化降解效率；在光解水制氫性能研究中，搭建光解水制氫實(shí)驗(yàn)裝置，以g-C?N?/蛭石復(fù)合光催化材料為催化劑，在模擬太陽(yáng)光或特定波長(zhǎng)光源照射下，進(jìn)行光解水制氫反應(yīng)。測(cè)量不同時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的氫氣量，計(jì)算產(chǎn)氫速率，分析復(fù)合材料的光解水制氫性能與結(jié)構(gòu)、組成之間的關(guān)系；在光催化二氧化碳還原性能研究中，構(gòu)建光催化二氧化碳還原反應(yīng)體系，將二氧化碳通入反應(yīng)體系中，在光照條件下，利用g-C?N?/蛭石復(fù)合光催化材料催化二氧化碳還原為一氧化碳、甲烷、甲醇等產(chǎn)物。通過(guò)氣相色譜等分析手段，檢測(cè)產(chǎn)物的種類和含量，研究復(fù)合材料的光催化二氧化碳還原活性和選擇性，以及不同制備和改性因素對(duì)其性能的影響。1.3.2研究方法本研究綜合運(yùn)用多種實(shí)驗(yàn)方法和技術(shù)手段，以實(shí)現(xiàn)對(duì)g-C?N?/蛭石復(fù)合光催化材料的深入研究。材料制備方法：采用熱聚合法制備g-C?N?/蛭石復(fù)合光催化材料。將三聚氰胺和蛭石按一定比例混合均勻，放入高溫爐中，在特定的升溫速率下加熱至設(shè)定溫度，并保持一定時(shí)間，使三聚氰胺熱解生成g-C?N?并與蛭石復(fù)合。為實(shí)現(xiàn)元素?fù)诫s改性，在熱聚合過(guò)程中，將適量的摻雜元素前驅(qū)體（如金屬鹽、非金屬化合物等）與三聚氰胺和蛭石一同混合，使其在高溫反應(yīng)中均勻摻入復(fù)合材料中；對(duì)于表面修飾改性，在復(fù)合材料制備完成后，將其分散在含有表面修飾劑的溶液中，通過(guò)攪拌、超聲等方式，使表面修飾劑均勻吸附在復(fù)合材料表面。材料表征技術(shù)：利用X射線衍射（XRD）分析材料的晶體結(jié)構(gòu)和物相組成，通過(guò)XRD圖譜，確定g-C?N?和蛭石的特征衍射峰，分析復(fù)合材料中兩者的結(jié)晶情況以及是否存在新的物相生成；采用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察材料的微觀形貌，了解g-C?N?在蛭石表面的負(fù)載情況、復(fù)合材料的顆粒大小和形狀等；運(yùn)用透射電子顯微鏡（TEM）進(jìn)一步分析材料的微觀結(jié)構(gòu)，觀察g-C?N?與蛭石的界面結(jié)合情況，以及摻雜元素或表面修飾劑在復(fù)合材料中的分布；通過(guò)X射線光電子能譜（XPS）確定材料的元素組成和化學(xué)價(jià)態(tài)，分析摻雜元素在復(fù)合材料中的存在形式以及表面修飾對(duì)材料表面元素化學(xué)環(huán)境的影響；利用比表面積分析儀（BET）測(cè)定材料的比表面積和孔徑分布，研究制備和改性過(guò)程對(duì)復(fù)合材料孔隙結(jié)構(gòu)的影響，進(jìn)而分析其與光催化性能的關(guān)聯(lián)。光催化性能測(cè)試方法：搭建光催化反應(yīng)裝置，包括光源系統(tǒng)、反應(yīng)池和尾氣處理系統(tǒng)。在光催化降解有機(jī)污染物實(shí)驗(yàn)中，將一定量的g-C?N?/蛭石復(fù)合光催化材料加入到含有目標(biāo)有機(jī)污染物的溶液中，在可見(jiàn)光照射下，每隔一定時(shí)間取反應(yīng)液，通過(guò)紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)量溶液中目標(biāo)污染物的濃度變化，從而計(jì)算光催化降解率；在光解水制氫實(shí)驗(yàn)中，將復(fù)合材料分散在含有犧牲劑的水溶液中，在光照下，通過(guò)氣相色譜檢測(cè)產(chǎn)生的氫氣量，計(jì)算產(chǎn)氫速率；在光催化二氧化碳還原實(shí)驗(yàn)中，將反應(yīng)體系置于密閉的反應(yīng)池中，通入二氧化碳?xì)怏w，在光照下，利用氣相色譜和質(zhì)譜聯(lián)用儀分析產(chǎn)物的種類和含量，評(píng)估光催化二氧化碳還原的活性和選擇性。二、g-C3N4蛭石復(fù)合光催化材料的制備2.1原材料的選擇與預(yù)處理2.1.1g-C3N4原材料g-C?N?通常可通過(guò)熱縮聚一些低成本的富氮前驅(qū)體來(lái)制備，常見(jiàn)的前驅(qū)體包括氰胺、雙氰胺、三聚氰胺、硫脲和尿素等。不同前驅(qū)體具有各自獨(dú)特的特點(diǎn)。三聚氰胺分子結(jié)構(gòu)規(guī)整，熱解過(guò)程中能夠較為穩(wěn)定地形成g-C?N?，且其含氮量較高，有利于形成高氮含量的g-C?N?，從而對(duì)材料的電子結(jié)構(gòu)和光催化性能產(chǎn)生積極影響；雙氰胺的反應(yīng)活性較高，在相對(duì)較低的溫度下就能發(fā)生聚合反應(yīng)生成g-C?N?，但反應(yīng)過(guò)程可能較難控制，產(chǎn)物的結(jié)晶度和純度可能受到一定影響；尿素價(jià)格相對(duì)低廉，來(lái)源廣泛，然而其熱解過(guò)程較為復(fù)雜，可能會(huì)引入一些雜質(zhì)，影響g-C?N?的性能。本研究選擇三聚氰胺作為制備g-C?N?的前驅(qū)體，主要原因在于三聚氰胺熱解過(guò)程相對(duì)穩(wěn)定，能夠制備出結(jié)晶度較高、性能較為穩(wěn)定的g-C?N?。而且三聚氰胺含氮量高，有助于形成理想結(jié)構(gòu)的g-C?N?，為后續(xù)制備高性能的g-C?N?/蛭石復(fù)合光催化材料奠定基礎(chǔ)。在使用三聚氰胺作為前驅(qū)體之前，需要對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理。首先，將三聚氰胺置于烘箱中，在60℃下干燥12h，以去除其中可能含有的水分，因?yàn)樗值拇嬖诳赡軙?huì)影響熱聚合反應(yīng)的進(jìn)行，導(dǎo)致反應(yīng)不完全或產(chǎn)物結(jié)構(gòu)受到破壞。干燥后的三聚氰胺用研缽進(jìn)行研磨，使其粒徑減小，達(dá)到充分混合和均勻反應(yīng)的目的，研磨后的三聚氰胺粉末過(guò)100目篩，以保證粒徑的一致性，有利于后續(xù)熱聚合反應(yīng)的均勻性。2.1.2蛭石原材料蛭石是一種層狀結(jié)構(gòu)的含鎂的水鋁硅酸鹽次生變質(zhì)礦物，通常由黑（金）云母經(jīng)熱液蝕變作用或風(fēng)化而成。蛭石按顏色可分為金黃色蛭石、銀白色蛭石、乳白色蛭石等；按階段性可劃分為蛭石片和膨脹蛭石。蛭石具有諸多特性，其陽(yáng)離子交換容量可達(dá)100-260mmol/100g，具有良好的陽(yáng)離子交換性能，能夠與其他離子進(jìn)行交換，從而改變蛭石的表面性質(zhì)和結(jié)構(gòu)；蛭石還具有較強(qiáng)的吸附性，對(duì)某些有機(jī)和無(wú)機(jī)物質(zhì)具有吸附能力，這在光催化反應(yīng)中有助于富集反應(yīng)物，提高反應(yīng)效率；蛭石在850°C左右的溫度下瞬間加熱煅燒時(shí)，單位體積可膨脹15-20倍，最高可達(dá)40倍，膨脹后的蛭石容重為80-200kg/m3，具有松散密度低，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，保溫、隔熱、隔音、抗菌、耐冷等優(yōu)良性能。本研究選用金黃色蛭石片作為原材料，金黃色蛭石在陽(yáng)離子交換性能和吸附性能方面表現(xiàn)較為突出，其片層結(jié)構(gòu)完整，有利于g-C?N?的負(fù)載和復(fù)合。在使用蛭石片前，需要進(jìn)行一系列預(yù)處理步驟。先將蛭石片用去離子水沖洗，以去除表面的灰塵、泥土等雜質(zhì)，沖洗過(guò)程中不斷攪拌，確保沖洗充分；沖洗后的蛭石片置于烘箱中，在80℃下干燥6h，去除水分；干燥后的蛭石片用研磨機(jī)進(jìn)行研磨，將其研磨成粒徑較小的蛭石粉末，以增加蛭石的比表面積，提高其與g-C?N?的復(fù)合效果；研磨后的蛭石粉末過(guò)200目篩，篩選出粒徑均勻的蛭石粉末用于后續(xù)實(shí)驗(yàn)，保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的穩(wěn)定性和可重復(fù)性。2.2制備方法與工藝2.2.1熱聚合法熱聚合法是制備g-C?N?的常用方法之一，其原理是利用富氮前驅(qū)體在高溫下發(fā)生聚合反應(yīng)，形成g-C?N?。以三聚氰胺為前驅(qū)體時(shí)，熱聚合過(guò)程如下：在高溫條件下，三聚氰胺分子中的氨基（-NH?）之間發(fā)生縮合反應(yīng)，脫去氨分子（NH?），同時(shí)形成C-N鍵，逐步構(gòu)建起以三嗪環(huán)或三-均-三嗪環(huán)為基本結(jié)構(gòu)單元的g-C?N?網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在這個(gè)過(guò)程中，溫度的升高促使分子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，使得反應(yīng)能夠克服一定的能壘，從而順利進(jìn)行聚合反應(yīng)。具體操作步驟如下：首先，按照前文所述，將經(jīng)過(guò)預(yù)處理的三聚氰胺置于帶蓋的坩堝中，這是為了減少三聚氰胺在加熱過(guò)程中的升華損失，確保反應(yīng)能夠在相對(duì)封閉的環(huán)境中進(jìn)行。然后，將坩堝放入高溫爐中，以5℃/min的升溫速率緩慢加熱至設(shè)定溫度。緩慢升溫有助于使三聚氰胺均勻受熱，避免因溫度急劇變化導(dǎo)致反應(yīng)不均勻或產(chǎn)生局部過(guò)熱現(xiàn)象。在升溫過(guò)程中，三聚氰胺逐漸發(fā)生分解和聚合反應(yīng)，釋放出氨氣等小分子氣體。當(dāng)達(dá)到設(shè)定溫度（如550℃）后，保持該溫度恒溫反應(yīng)3h，使聚合反應(yīng)充分進(jìn)行，以形成較為完整的g-C?N?結(jié)構(gòu)。反應(yīng)結(jié)束后，關(guān)閉高溫爐，讓坩堝在爐內(nèi)自然冷卻至室溫。自然冷卻可以避免材料因快速冷卻而產(chǎn)生應(yīng)力，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞或性能下降。待冷卻后，取出產(chǎn)物，此時(shí)得到的是塊狀的g-C?N?，使用研缽將其研磨成粉末狀，以便后續(xù)實(shí)驗(yàn)使用。在熱聚合法制備g-C?N?的過(guò)程中，關(guān)鍵參數(shù)對(duì)產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)和性能有著顯著影響。反應(yīng)溫度是一個(gè)至關(guān)重要的參數(shù)，較低的反應(yīng)溫度（如500℃以下）可能導(dǎo)致聚合反應(yīng)不完全，生成的g-C?N?結(jié)晶度較低，結(jié)構(gòu)中存在較多缺陷，從而影響其光催化性能；而過(guò)高的反應(yīng)溫度（如600℃以上）則可能使g-C?N?發(fā)生過(guò)度燒結(jié)，導(dǎo)致比表面積減小，活性位點(diǎn)減少，同樣不利于光催化活性的提高。反應(yīng)時(shí)間也不容忽視，過(guò)短的反應(yīng)時(shí)間會(huì)使聚合反應(yīng)不充分，g-C?N?的結(jié)構(gòu)不完善；過(guò)長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間則可能引發(fā)副反應(yīng)，如g-C?N?的部分分解或結(jié)構(gòu)重排，影響產(chǎn)物的質(zhì)量和性能。2.2.2負(fù)載法制備復(fù)合光催化材料將g-C?N?負(fù)載到蛭石上可以采用多種方法，常見(jiàn)的有超聲負(fù)載法和浸漬法，每種方法都有其獨(dú)特的優(yōu)缺點(diǎn)。超聲負(fù)載法的原理是利用超聲的空化作用，在液體介質(zhì)中產(chǎn)生瞬間的高溫高壓微環(huán)境，使g-C?N?顆粒能夠更好地分散，并促進(jìn)其與蛭石表面的相互作用，從而實(shí)現(xiàn)g-C?N?在蛭石上的負(fù)載。具體操作步驟為：先將經(jīng)過(guò)預(yù)處理的蛭石粉末加入到適量的無(wú)水乙醇中，形成均勻的懸浮液。無(wú)水乙醇作為分散介質(zhì)，能夠使蛭石均勻分散，避免團(tuán)聚。然后，將一定量的g-C?N?粉末加入到該懸浮液中，超聲處理30min。超聲過(guò)程中，超聲產(chǎn)生的強(qiáng)烈機(jī)械振動(dòng)和空化效應(yīng)，一方面能夠使g-C?N?顆粒均勻分散在懸浮液中，避免其自身團(tuán)聚；另一方面，空化作用產(chǎn)生的微射流和沖擊波能夠沖擊蛭石表面，使其表面產(chǎn)生微小的缺陷或活性位點(diǎn)，有利于g-C?N?的吸附和結(jié)合。超聲處理結(jié)束后，將懸浮液進(jìn)行離心分離，去除上清液，得到負(fù)載有g(shù)-C?N?的蛭石沉淀。最后，將沉淀置于烘箱中，在60℃下干燥12h，以去除殘留的乙醇和水分。超聲負(fù)載法的優(yōu)點(diǎn)是能夠使g-C?N?在蛭石表面均勻分散，提高復(fù)合材料的比表面積和活性位點(diǎn)數(shù)量，從而增強(qiáng)光催化性能；缺點(diǎn)是超聲設(shè)備成本較高，且超聲處理過(guò)程中可能會(huì)對(duì)蛭石和g-C?N?的結(jié)構(gòu)造成一定程度的破壞。浸漬法是將蛭石浸泡在含有g(shù)-C?N?的溶液中，使g-C?N?通過(guò)物理吸附或化學(xué)鍵合的方式負(fù)載到蛭石表面。具體步驟如下：將一定量的g-C?N?粉末溶解在適量的去離子水中，攪拌均勻，形成g-C?N?溶液。這里選擇去離子水作為溶劑，是因?yàn)槠浼儍魺o(wú)污染，不會(huì)引入雜質(zhì)影響復(fù)合材料的性能。然后，將經(jīng)過(guò)預(yù)處理的蛭石粉末加入到該溶液中，確保蛭石完全浸沒(méi)在溶液中。在室溫下攪拌12h，使g-C?N?充分吸附到蛭石表面。攪拌過(guò)程有助于g-C?N?分子與蛭石表面充分接觸，提高吸附效率。之后，將混合液進(jìn)行過(guò)濾，收集負(fù)載有g(shù)-C?N?的蛭石固體。為了去除未吸附的g-C?N?，用去離子水多次洗滌固體，直至洗滌液中檢測(cè)不到g-C?N?。最后，將洗滌后的固體置于烘箱中，在80℃下干燥8h。浸漬法的優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單，成本較低，對(duì)設(shè)備要求不高；缺點(diǎn)是g-C?N?在蛭石表面的負(fù)載量和分散性相對(duì)較差，可能會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料的光催化性能提升有限。2.2.3工藝參數(shù)對(duì)材料結(jié)構(gòu)的影響在制備g-C?N?/蛭石復(fù)合光催化材料的過(guò)程中，溫度、時(shí)間、反應(yīng)物比例等工藝參數(shù)對(duì)材料的微觀結(jié)構(gòu)和性能有著重要影響。溫度對(duì)復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)和性能具有顯著影響。在熱聚合法制備g-C?N?以及負(fù)載過(guò)程中，溫度的變化會(huì)影響g-C?N?的結(jié)晶度和晶體結(jié)構(gòu)。較低的溫度可能導(dǎo)致g-C?N?結(jié)晶度低，晶體結(jié)構(gòu)不完善，存在較多缺陷，這會(huì)影響光生載流子的傳輸和分離效率，進(jìn)而降低光催化性能；較高的溫度則可能使g-C?N?的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，甚至出現(xiàn)燒結(jié)現(xiàn)象，導(dǎo)致比表面積減小，活性位點(diǎn)減少，同樣不利于光催化活性的提高。在負(fù)載過(guò)程中，溫度還會(huì)影響g-C?N?與蛭石之間的相互作用。適當(dāng)升高溫度可以增強(qiáng)分子的熱運(yùn)動(dòng)，促進(jìn)g-C?N?在蛭石表面的吸附和化學(xué)鍵合，提高負(fù)載的穩(wěn)定性；但過(guò)高的溫度可能會(huì)破壞蛭石的結(jié)構(gòu)，或者使g-C?N?與蛭石之間的化學(xué)鍵發(fā)生斷裂，影響復(fù)合材料的性能。時(shí)間也是一個(gè)關(guān)鍵的工藝參數(shù)。在熱聚合法制備g-C?N?時(shí)，反應(yīng)時(shí)間過(guò)短，聚合反應(yīng)不充分，g-C?N?的結(jié)構(gòu)不完善，會(huì)導(dǎo)致光催化性能不佳；反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，可能會(huì)引發(fā)副反應(yīng)，如g-C?N?的分解或結(jié)構(gòu)重排，同樣對(duì)光催化性能產(chǎn)生負(fù)面影響。在負(fù)載過(guò)程中，浸漬或超聲處理的時(shí)間也會(huì)影響g-C?N?在蛭石表面的負(fù)載量和分散性。較短的時(shí)間可能導(dǎo)致g-C?N?負(fù)載量不足，分散不均勻；而過(guò)長(zhǎng)的時(shí)間可能會(huì)使g-C?N?在蛭石表面過(guò)度聚集，反而降低了活性位點(diǎn)的利用率。反應(yīng)物比例，即g-C?N?與蛭石的質(zhì)量比例，對(duì)復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)和性能也有重要影響。當(dāng)g-C?N?的比例較低時(shí)，復(fù)合材料中光催化活性成分相對(duì)較少，可能無(wú)法充分發(fā)揮光催化作用；當(dāng)g-C?N?的比例過(guò)高時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致g-C?N?在蛭石表面團(tuán)聚，減少了與蛭石的有效接觸面積，同時(shí)也會(huì)影響復(fù)合材料的比表面積和孔隙結(jié)構(gòu)，不利于光生載流子的傳輸和反應(yīng)物的擴(kuò)散，從而降低光催化性能。通過(guò)調(diào)節(jié)g-C?N?與蛭石的質(zhì)量比例，可以優(yōu)化復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)，提高光生載流子的分離效率和遷移速率，從而增強(qiáng)光催化性能。三、g-C3N4蛭石復(fù)合光催化材料的改性3.1改性的目的與意義盡管通過(guò)將g-C?N?與蛭石復(fù)合，在一定程度上改善了g-C?N?的光催化性能，如增加了比表面積、提高了光生載流子的分離效率等，但g-C?N?/蛭石復(fù)合光催化材料仍存在一些局限性，難以滿足實(shí)際應(yīng)用的需求，因此對(duì)其進(jìn)行改性具有重要的目的與意義。光催化活性的進(jìn)一步提升是改性的關(guān)鍵目標(biāo)之一。在實(shí)際應(yīng)用中，高效的光催化活性對(duì)于快速降解有機(jī)污染物、實(shí)現(xiàn)光解水制氫以及二氧化碳還原等過(guò)程至關(guān)重要。然而，未改性的g-C?N?/蛭石復(fù)合材料在光催化活性方面仍有較大的提升空間。g-C?N?的光生載流子復(fù)合問(wèn)題在復(fù)合后雖有改善但依然存在，導(dǎo)致光催化過(guò)程中參與反應(yīng)的有效載流子數(shù)量不足，降低了光催化反應(yīng)速率。通過(guò)改性，可以調(diào)節(jié)復(fù)合材料的能帶結(jié)構(gòu)，引入雜質(zhì)能級(jí)或缺陷，促進(jìn)光生載流子的分離和傳輸，從而提高光催化活性。在g-C?N?/蛭石復(fù)合材料中摻雜合適的金屬或非金屬元素，能夠改變材料的電子結(jié)構(gòu)，降低光生載流子的復(fù)合幾率，使更多的光生載流子參與到光催化反應(yīng)中，進(jìn)而提高對(duì)有機(jī)污染物的降解效率，或增強(qiáng)光解水制氫和二氧化碳還原的活性。拓寬可見(jiàn)光吸收范圍對(duì)于充分利用太陽(yáng)能具有重要意義。太陽(yáng)能中可見(jiàn)光部分占據(jù)了相當(dāng)大的比例，而g-C?N?本身的可見(jiàn)光吸收范圍有限，限制了對(duì)太陽(yáng)能的有效利用。通過(guò)改性，可以拓展g-C?N?/蛭石復(fù)合光催化材料的可見(jiàn)光吸收范圍，使其能夠吸收更多波長(zhǎng)的可見(jiàn)光，提高太陽(yáng)能的利用率。采用元素?fù)诫s改性時(shí)，摻雜元素可以改變g-C?N?的電子云分布，調(diào)整其能帶結(jié)構(gòu)，使材料的吸收邊向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)，從而增強(qiáng)對(duì)可見(jiàn)光的吸收能力；通過(guò)表面修飾引入具有特定光學(xué)性質(zhì)的分子或納米粒子，也可以利用其表面等離子體共振效應(yīng)等，拓寬復(fù)合材料的可見(jiàn)光吸收范圍，提高光催化反應(yīng)的效率。提高穩(wěn)定性是確保g-C?N?/蛭石復(fù)合光催化材料能夠長(zhǎng)期應(yīng)用的關(guān)鍵。在實(shí)際光催化反應(yīng)過(guò)程中，催化劑需要承受光照、溫度、濕度以及反應(yīng)物和產(chǎn)物的化學(xué)作用等多種因素的影響，如果穩(wěn)定性不足，可能會(huì)導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)的破壞、活性組分的流失或活性位點(diǎn)的失活，從而降低光催化性能。通過(guò)改性可以增強(qiáng)復(fù)合材料的穩(wěn)定性。在復(fù)合材料表面修飾一層穩(wěn)定的保護(hù)膜，如二氧化硅或有機(jī)聚合物，能夠減少外界因素對(duì)材料的侵蝕，防止活性組分的流失；通過(guò)優(yōu)化g-C?N?與蛭石之間的結(jié)合方式，增強(qiáng)兩者之間的相互作用力，也可以提高復(fù)合材料在反應(yīng)過(guò)程中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，確保其能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定地發(fā)揮光催化作用。改善選擇性對(duì)于實(shí)現(xiàn)特定的光催化反應(yīng)目標(biāo)至關(guān)重要。不同的光催化應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)產(chǎn)物的選擇性有不同的要求，在光催化二氧化碳還原中，可能需要高選擇性地將二氧化碳轉(zhuǎn)化為特定的燃料或化學(xué)品，如甲烷、甲醇等；在有機(jī)污染物降解中，可能需要優(yōu)先降解某些特定的污染物。然而，未改性的g-C?N?/蛭石復(fù)合材料的光催化選擇性往往不理想。通過(guò)改性，可以調(diào)控復(fù)合材料的表面性質(zhì)和活性位點(diǎn)的結(jié)構(gòu)，改變反應(yīng)物在材料表面的吸附和反應(yīng)路徑，從而提高光催化反應(yīng)的選擇性。在復(fù)合材料表面負(fù)載具有特定選擇性的助催化劑，或者通過(guò)元素?fù)诫s改變材料表面的電荷分布和化學(xué)活性，都有可能實(shí)現(xiàn)對(duì)特定光催化反應(yīng)的高選擇性，滿足不同實(shí)際應(yīng)用的需求。3.2改性方法3.2.1元素?fù)诫s元素?fù)诫s是一種重要的改性手段，通過(guò)將其他元素引入g-C?N?的晶格中，能夠有效地改變其電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)，從而顯著提高其光催化性能。常見(jiàn)的摻雜元素包括非金屬元素如S、P、B等，以及金屬元素如Fe、Cu、Ag等，不同元素的摻雜會(huì)對(duì)g-C?N?/蛭石復(fù)合光催化材料產(chǎn)生獨(dú)特的影響。非金屬元素?fù)诫s中，S摻雜是研究較多的一種方式。當(dāng)S原子摻入g-C?N?的晶格時(shí)，會(huì)改變g-C?N?的電子云分布。S原子的外層電子結(jié)構(gòu)與C、N原子不同，其具有3s23p?的電子構(gòu)型，在摻雜過(guò)程中，S原子可能取代g-C?N?中的C或N原子。由于S原子的電負(fù)性與C、N存在差異，這會(huì)導(dǎo)致g-C?N?的電子云發(fā)生重新分布，在其能帶結(jié)構(gòu)中引入雜質(zhì)能級(jí)。這些雜質(zhì)能級(jí)可以作為光生載流子的捕獲中心，延長(zhǎng)光生載流子的壽命，從而減少光生電子-空穴對(duì)的復(fù)合幾率。S摻雜還能夠擴(kuò)展g-C?N?的光吸收范圍，使其對(duì)可見(jiàn)光的吸收能力增強(qiáng)。理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究表明，S摻雜后的g-C?N?在可見(jiàn)光區(qū)的吸收邊發(fā)生紅移，能夠吸收更多波長(zhǎng)范圍的可見(jiàn)光，從而提高了對(duì)太陽(yáng)能的利用效率。在光催化降解有機(jī)污染物實(shí)驗(yàn)中，S摻雜的g-C?N?/蛭石復(fù)合材料對(duì)羅丹明B的降解效率明顯高于未摻雜的復(fù)合材料，這歸因于S摻雜改善了光生載流子的分離和傳輸效率，以及增強(qiáng)了對(duì)可見(jiàn)光的吸收能力。P摻雜同樣對(duì)g-C?N?/蛭石復(fù)合光催化材料的性能提升具有重要作用。P原子的電子結(jié)構(gòu)為3s23p3，當(dāng)P摻入g-C?N?晶格時(shí)，會(huì)改變材料的電子結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)。P摻雜可以調(diào)節(jié)g-C?N?的能帶結(jié)構(gòu)，使導(dǎo)帶和價(jià)帶的位置發(fā)生變化，從而影響光生載流子的激發(fā)和傳輸。研究發(fā)現(xiàn)，適量的P摻雜能夠降低g-C?N?的禁帶寬度，增強(qiáng)其對(duì)可見(jiàn)光的響應(yīng)能力。P摻雜還可以增加復(fù)合材料表面的活性位點(diǎn)數(shù)量。由于P原子的引入，改變了g-C?N?表面的電荷分布，使得表面更容易吸附反應(yīng)物分子，為光催化反應(yīng)提供了更多的活性中心。在光解水制氫實(shí)驗(yàn)中，P摻雜的g-C?N?/蛭石復(fù)合材料表現(xiàn)出較高的產(chǎn)氫速率，這得益于P摻雜對(duì)能帶結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和活性位點(diǎn)的增加，促進(jìn)了光生載流子參與水分解反應(yīng)。對(duì)于金屬元素?fù)诫s，以Fe摻雜為例。Fe原子具有3d?4s2的電子構(gòu)型，當(dāng)Fe摻入g-C?N?/蛭石復(fù)合材料中時(shí)，會(huì)在g-C?N?的能帶結(jié)構(gòu)中引入新的能級(jí)。Fe的d軌道電子可以與g-C?N?的π電子相互作用，形成特殊的電子耦合結(jié)構(gòu)。這種電子耦合作用能夠有效地促進(jìn)光生載流子的分離，F(xiàn)e離子可以作為電子捕獲中心，將光生電子快速轉(zhuǎn)移，從而減少光生電子與空穴的復(fù)合。Fe摻雜還可以增強(qiáng)復(fù)合材料對(duì)某些特定污染物的吸附能力。由于Fe元素的引入，改變了復(fù)合材料表面的化學(xué)性質(zhì)，使其對(duì)一些含有特定官能團(tuán)的有機(jī)污染物具有更強(qiáng)的親和力，有利于污染物在材料表面的富集，提高光催化降解效率。在光催化降解苯酚的實(shí)驗(yàn)中，F(xiàn)e摻雜的g-C?N?/蛭石復(fù)合材料表現(xiàn)出良好的催化活性，能夠在較短時(shí)間內(nèi)將苯酚降解為小分子物質(zhì)。然而，元素?fù)诫s過(guò)程中也存在一些需要注意的問(wèn)題。摻雜量的控制至關(guān)重要，適量的摻雜可以優(yōu)化g-C?N?/蛭石復(fù)合材料的性能，但過(guò)量的摻雜可能會(huì)導(dǎo)致雜質(zhì)團(tuán)聚，形成復(fù)合中心，反而降低光催化活性。不同元素之間的協(xié)同摻雜效應(yīng)也需要深入研究，多種元素的協(xié)同作用可能會(huì)產(chǎn)生更優(yōu)異的性能，但如果搭配不當(dāng)，可能會(huì)相互干擾，影響摻雜效果。在進(jìn)行元素?fù)诫s改性時(shí)，需要綜合考慮摻雜元素的種類、摻雜量以及摻雜方式等因素，以實(shí)現(xiàn)對(duì)g-C?N?/蛭石復(fù)合光催化材料性能的有效優(yōu)化。3.2.2構(gòu)建異質(zhì)結(jié)構(gòu)建異質(zhì)結(jié)是提升g-C?N?/蛭石復(fù)合光催化材料性能的有效策略，其原理基于不同半導(dǎo)體材料之間的能帶差異。當(dāng)g-C?N?與其他半導(dǎo)體材料復(fù)合形成異質(zhì)結(jié)時(shí)，由于兩種材料的導(dǎo)帶和價(jià)帶位置不同，在界面處會(huì)形成內(nèi)建電場(chǎng)。在光照條件下，g-C?N?和與之復(fù)合的半導(dǎo)體材料吸收光子產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì)。由于內(nèi)建電場(chǎng)的作用，光生電子和空穴會(huì)分別向不同的方向遷移，從而實(shí)現(xiàn)光生載流子的有效分離。在g-C?N?與TiO?構(gòu)建的異質(zhì)結(jié)中，TiO?的導(dǎo)帶位置比g-C?N?的導(dǎo)帶位置更負(fù)，價(jià)帶位置比g-C?N?的價(jià)帶位置更正。當(dāng)光照射到異質(zhì)結(jié)材料時(shí)，g-C?N?產(chǎn)生的光生電子會(huì)迅速遷移到TiO?的導(dǎo)帶上，而TiO?產(chǎn)生的光生空穴會(huì)遷移到g-C?N?的價(jià)帶上，這樣就大大減少了光生電子-空穴對(duì)在各自材料內(nèi)部的復(fù)合幾率，提高了光生載流子的分離效率。常見(jiàn)的與g-C?N?構(gòu)建異質(zhì)結(jié)的半導(dǎo)體材料有TiO?、ZnO、MoS?等，不同的半導(dǎo)體材料與g-C?N?復(fù)合會(huì)產(chǎn)生不同的效果。TiO?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。與g-C?N?復(fù)合形成異質(zhì)結(jié)后，TiO?的高載流子遷移率和良好的光吸收性能與g-C?N?的可見(jiàn)光響應(yīng)特性相結(jié)合，能夠拓寬復(fù)合材料的光吸收范圍，提高光生載流子的傳輸效率。在光催化降解亞甲基藍(lán)的實(shí)驗(yàn)中，g-C?N?/TiO?/蛭石復(fù)合光催化材料在可見(jiàn)光照射下，對(duì)亞甲基藍(lán)的降解效率明顯高于單一的g-C?N?/蛭石或TiO?/蛭石復(fù)合材料，這得益于異質(zhì)結(jié)的形成促進(jìn)了光生載流子的分離和傳輸，增強(qiáng)了對(duì)亞甲基藍(lán)的降解能力。ZnO也是一種常用的半導(dǎo)體材料，其具有較大的激子束縛能和寬禁帶寬度。與g-C?N?構(gòu)建異質(zhì)結(jié)后，ZnO的高電子遷移率和良好的氧化還原能力可以與g-C?N?相互協(xié)同。在光催化反應(yīng)中，ZnO能夠快速捕獲g-C?N?產(chǎn)生的光生電子，促進(jìn)光生載流子的分離，同時(shí)利用自身的氧化還原能力參與催化反應(yīng)。研究表明，g-C?N?/ZnO/蛭石復(fù)合光催化材料在光催化分解水制氫反應(yīng)中表現(xiàn)出較高的產(chǎn)氫活性，這是由于異質(zhì)結(jié)的存在優(yōu)化了光生載流子的傳輸路徑，提高了光催化反應(yīng)的效率。MoS?是一種二維層狀半導(dǎo)體材料，具有獨(dú)特的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)。與g-C?N?復(fù)合形成異質(zhì)結(jié)時(shí)，MoS?的層狀結(jié)構(gòu)能夠提供豐富的活性位點(diǎn)，并且其與g-C?N?之間的界面相互作用較強(qiáng)。在光催化過(guò)程中，MoS?可以作為電子傳輸通道，加速光生電子的遷移，從而提高光生載流子的分離效率。在可見(jiàn)光照射下，g-C?N?/MoS?/蛭石復(fù)合光催化材料對(duì)有機(jī)污染物的降解表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，這主要?dú)w因于異質(zhì)結(jié)的構(gòu)建以及MoS?的獨(dú)特結(jié)構(gòu)和性能對(duì)光催化反應(yīng)的促進(jìn)作用。構(gòu)建異質(zhì)結(jié)時(shí)，需要注意異質(zhì)結(jié)的類型和界面質(zhì)量等因素。常見(jiàn)的異質(zhì)結(jié)類型有Ⅱ型異質(zhì)結(jié)、Z型異質(zhì)結(jié)和S型異質(zhì)結(jié)等，不同類型的異質(zhì)結(jié)對(duì)光生載流子的傳輸和分離機(jī)制有所不同。Ⅱ型異質(zhì)結(jié)中，光生電子和空穴分別轉(zhuǎn)移到不同材料的導(dǎo)帶和價(jià)帶，實(shí)現(xiàn)載流子的分離；Z型異質(zhì)結(jié)則通過(guò)在兩種半導(dǎo)體之間引入電子媒介體，實(shí)現(xiàn)光生載流子的空間分離，同時(shí)保留了較強(qiáng)的氧化還原能力；S型異質(zhì)結(jié)結(jié)合了Ⅱ型異質(zhì)結(jié)和Z型異質(zhì)結(jié)的優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)現(xiàn)光生載流子有效分離的同時(shí)，增強(qiáng)了載流子的氧化還原能力。界面質(zhì)量也至關(guān)重要，良好的界面接觸能夠降低載流子傳輸?shù)淖枇Γ龠M(jìn)光生載流子在異質(zhì)結(jié)界面的轉(zhuǎn)移。在制備g-C?N?與其他半導(dǎo)體材料的異質(zhì)結(jié)時(shí)，需要選擇合適的制備方法和工藝條件，以確保形成高質(zhì)量的異質(zhì)結(jié)，充分發(fā)揮異質(zhì)結(jié)的協(xié)同效應(yīng)，提高g-C?N?/蛭石復(fù)合光催化材料的性能。3.2.3表面修飾表面修飾是改善g-C?N?/蛭石復(fù)合光催化材料性能的重要手段，通過(guò)在材料表面負(fù)載金屬納米顆粒、碳材料等物質(zhì)，可以顯著改變材料的表面性質(zhì)，進(jìn)而提升其光催化性能。負(fù)載金屬納米顆粒是一種常見(jiàn)的表面修飾方法。當(dāng)在g-C?N?/蛭石復(fù)合材料表面負(fù)載金屬納米顆粒（如Au、Ag、Pt等）時(shí)，金屬納米顆粒可以作為電子捕獲中心。以Au納米顆粒為例，Au具有良好的導(dǎo)電性和獨(dú)特的表面等離子體共振效應(yīng)。在光催化反應(yīng)中，當(dāng)g-C?N?吸收光子產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì)時(shí)，光生電子能夠迅速轉(zhuǎn)移到Au納米顆粒上，從而有效地抑制了光生電子與空穴的復(fù)合。Au納米顆粒的表面等離子體共振效應(yīng)還能夠增強(qiáng)復(fù)合材料對(duì)可見(jiàn)光的吸收。當(dāng)可見(jiàn)光照射到負(fù)載有Au納米顆粒的g-C?N?/蛭石復(fù)合材料時(shí)，Au納米顆粒的表面等離子體發(fā)生共振，產(chǎn)生局域表面等離子體共振吸收峰，使得復(fù)合材料在可見(jiàn)光區(qū)域的吸收增強(qiáng)。這種增強(qiáng)的光吸收能夠產(chǎn)生更多的光生載流子，進(jìn)一步提高光催化反應(yīng)的效率。在光催化降解羅丹明B的實(shí)驗(yàn)中，負(fù)載Au納米顆粒的g-C?N?/蛭石復(fù)合材料在可見(jiàn)光照射下，對(duì)羅丹明B的降解速率明顯高于未負(fù)載的復(fù)合材料，這充分體現(xiàn)了負(fù)載Au納米顆粒對(duì)光催化性能的提升作用。碳材料（如石墨烯、碳納米管等）也常被用于g-C?N?/蛭石復(fù)合材料的表面修飾。石墨烯具有優(yōu)異的電學(xué)性能、高比表面積和良好的化學(xué)穩(wěn)定性。當(dāng)將石墨烯負(fù)載到g-C?N?/蛭石復(fù)合材料表面時(shí)，石墨烯可以作為電子傳輸通道，加速光生電子的遷移。由于石墨烯的二維平面結(jié)構(gòu)，光生電子能夠在其表面快速傳輸，減少了電子在傳輸過(guò)程中的復(fù)合幾率，提高了光生載流子的分離效率。石墨烯的高比表面積還能夠增加復(fù)合材料對(duì)反應(yīng)物分子的吸附能力。在光催化反應(yīng)中，更多的反應(yīng)物分子能夠吸附在復(fù)合材料表面，增加了反應(yīng)物與光催化劑的接觸機(jī)會(huì)，有利于光催化反應(yīng)的進(jìn)行。研究表明，g-C?N?/石墨烯/蛭石復(fù)合光催化材料在光解水制氫反應(yīng)中表現(xiàn)出較高的產(chǎn)氫活性，這得益于石墨烯對(duì)光生載流子傳輸和反應(yīng)物吸附的促進(jìn)作用。碳納米管具有獨(dú)特的一維管狀結(jié)構(gòu)，具有良好的導(dǎo)電性和力學(xué)性能。將碳納米管負(fù)載到g-C?N?/蛭石復(fù)合材料表面，同樣可以改善材料的電學(xué)性能和光催化性能。碳納米管可以與g-C?N?形成良好的電子耦合，促進(jìn)光生電子的傳輸。其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)還能夠?yàn)楣獯呋磻?yīng)提供更多的活性位點(diǎn)，增加反應(yīng)物分子的吸附量。在光催化降解有機(jī)污染物實(shí)驗(yàn)中，g-C?N?/碳納米管/蛭石復(fù)合光催化材料對(duì)多種有機(jī)污染物都表現(xiàn)出較好的降解效果，這表明碳納米管的表面修飾能夠有效提升g-C?N?/蛭石復(fù)合光催化材料的光催化性能。在進(jìn)行表面修飾時(shí)，需要控制負(fù)載物質(zhì)的量和分布。負(fù)載物質(zhì)的量過(guò)少可能無(wú)法充分發(fā)揮其修飾作用，而過(guò)多則可能導(dǎo)致團(tuán)聚，覆蓋光催化劑的活性位點(diǎn)，降低光催化性能。負(fù)載物質(zhì)在復(fù)合材料表面的均勻分布也非常重要，不均勻的分布可能會(huì)導(dǎo)致局部活性過(guò)高或過(guò)低，影響整體光催化性能。在選擇負(fù)載物質(zhì)時(shí)，需要根據(jù)具體的光催化應(yīng)用需求，綜合考慮其與g-C?N?/蛭石復(fù)合材料的兼容性、對(duì)光生載流子傳輸和反應(yīng)物吸附的影響等因素，以實(shí)現(xiàn)對(duì)g-C?N?/蛭石復(fù)合光催化材料性能的有效提升。3.3改性效果的表征與分析3.3.1結(jié)構(gòu)表征X射線衍射（XRD）技術(shù)是研究材料晶體結(jié)構(gòu)的重要手段。通過(guò)XRD分析，可以獲得g-C?N?/蛭石復(fù)合光催化材料改性前后的晶體結(jié)構(gòu)信息。在未改性的g-C?N?/蛭石復(fù)合材料的XRD圖譜中，能夠清晰地觀察到蛭石的特征衍射峰，蛭石的（001）晶面衍射峰通常出現(xiàn)在較低的衍射角度，其位置和強(qiáng)度反映了蛭石的晶體結(jié)構(gòu)和層間距。g-C?N?的特征衍射峰也會(huì)在圖譜中出現(xiàn)，如在2θ約為13.1°處出現(xiàn)的衍射峰對(duì)應(yīng)于g-C?N?的（100）晶面，代表了g-C?N?的層間堆積結(jié)構(gòu)；在2θ約為27.4°處的衍射峰對(duì)應(yīng)于g-C?N?的（002）晶面，反映了g-C?N?的共軛芳香體系的層狀堆積結(jié)構(gòu)。當(dāng)對(duì)g-C?N?/蛭石復(fù)合光催化材料進(jìn)行元素?fù)诫s改性后，XRD圖譜會(huì)發(fā)生一些變化。在S摻雜的g-C?N?/蛭石復(fù)合材料中，由于S原子的半徑與C、N原子不同，摻雜后可能會(huì)引起g-C?N?晶格的畸變。這種晶格畸變會(huì)導(dǎo)致g-C?N?的特征衍射峰位置發(fā)生偏移，如（002）晶面衍射峰可能會(huì)向高角度或低角度移動(dòng)，具體移動(dòng)方向取決于S原子的摻雜位置和濃度。通過(guò)測(cè)量衍射峰的偏移量，可以估算出晶格畸變的程度，進(jìn)而了解S摻雜對(duì)g-C?N?晶體結(jié)構(gòu)的影響。如果S原子取代了g-C?N?中的C原子，由于S原子半徑大于C原子，可能會(huì)導(dǎo)致晶格膨脹，使得（002）晶面間距增大，衍射峰向低角度移動(dòng)；反之，如果S原子取代N原子，可能會(huì)使晶格收縮，衍射峰向高角度移動(dòng)。摻雜元素還可能會(huì)導(dǎo)致新的衍射峰出現(xiàn)，這可能是由于形成了新的化合物或物相。透射電子顯微鏡（TEM）能夠直觀地觀察材料的微觀形貌和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在TEM圖像中，可以清晰地看到未改性的g-C?N?/蛭石復(fù)合材料中，蛭石呈現(xiàn)出層狀結(jié)構(gòu)，其片層厚度和層數(shù)可以通過(guò)圖像測(cè)量得到。g-C?N?則以顆粒狀或薄層狀負(fù)載在蛭石的表面或?qū)娱g，通過(guò)高分辨TEM圖像，可以觀察到g-C?N?與蛭石之間的界面結(jié)合情況，兩者之間可能存在一定的化學(xué)鍵合或物理吸附作用。對(duì)于構(gòu)建異質(zhì)結(jié)改性后的g-C?N?/蛭石復(fù)合光催化材料，TEM圖像可以清晰地顯示出異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)。在g-C?N?/TiO?/蛭石復(fù)合材料中，能夠觀察到TiO?納米顆粒均勻地分布在g-C?N?和蛭石的表面或界面處。通過(guò)高分辨TEM，可以觀察到g-C?N?與TiO?之間形成的異質(zhì)結(jié)界面，界面處的晶格條紋清晰可見(jiàn)，表明兩者之間形成了良好的界面接觸。通過(guò)測(cè)量異質(zhì)結(jié)界面的寬度和晶格匹配情況，可以進(jìn)一步了解異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)和性能。在界面處，由于兩種材料的能帶結(jié)構(gòu)不同，會(huì)形成內(nèi)建電場(chǎng)，這一內(nèi)建電場(chǎng)可以通過(guò)TEM的電子能量損失譜（EELS）進(jìn)行表征，EELS能夠分析界面處的元素化學(xué)態(tài)和電子結(jié)構(gòu)變化，從而揭示內(nèi)建電場(chǎng)的形成機(jī)制和對(duì)光生載流子傳輸?shù)挠绊憽?.3.2光學(xué)性能表征紫外-可見(jiàn)漫反射光譜（UV-VisDRS）是研究材料光吸收性能的重要手段。通過(guò)UV-VisDRS分析，可以了解g-C?N?/蛭石復(fù)合光催化材料改性前后對(duì)不同波長(zhǎng)光的吸收情況。在未改性的g-C?N?/蛭石復(fù)合材料的UV-VisDRS譜圖中，g-C?N?在紫外光區(qū)和可見(jiàn)光區(qū)都有一定的吸收，其吸收邊大約在460nm左右，對(duì)應(yīng)于g-C?N?的能帶結(jié)構(gòu)，表明g-C?N?能夠吸收波長(zhǎng)小于460nm的光產(chǎn)生光生載流子。蛭石在紫外-可見(jiàn)光區(qū)的吸收相對(duì)較弱，主要表現(xiàn)為一些寬而弱的吸收峰，這與其自身的電子結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成有關(guān)。當(dāng)對(duì)g-C?N?/蛭石復(fù)合光催化材料進(jìn)行表面修飾改性，負(fù)載金屬納米顆粒（如Au納米顆粒）后，UV-VisDRS譜圖會(huì)發(fā)生顯著變化。負(fù)載Au納米顆粒的g-C?N?/蛭石復(fù)合材料在可見(jiàn)光區(qū)出現(xiàn)了明顯的表面等離子體共振吸收峰，這是由于Au納米顆粒的表面等離子體共振效應(yīng)引起的。表面等離子體共振吸收峰的位置和強(qiáng)度與Au納米顆粒的尺寸、形狀以及在復(fù)合材料中的分布有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，較小尺寸的Au納米顆粒會(huì)使表面等離子體共振吸收峰藍(lán)移，而較大尺寸的Au納米顆粒會(huì)使吸收峰紅移。表面等離子體共振效應(yīng)能夠增強(qiáng)復(fù)合材料對(duì)可見(jiàn)光的吸收，使得更多的光子被吸收轉(zhuǎn)化為光生載流子，從而提高光催化性能。負(fù)載Au納米顆粒后，復(fù)合材料在整個(gè)可見(jiàn)光區(qū)的吸收強(qiáng)度都有所增強(qiáng)，這有助于提高光催化反應(yīng)中光生載流子的產(chǎn)生效率。通過(guò)UV-VisDRS譜圖還可以計(jì)算材料的能帶結(jié)構(gòu)。根據(jù)Kubelka-Munk函數(shù)，將漫反射光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，可以得到材料的吸收系數(shù)（α）與光子能量（hν）的關(guān)系曲線。對(duì)于半導(dǎo)體材料，其吸收系數(shù)與光子能量之間滿足公式：(αhν)?=A(hν-E?)，其中n的值取決于半導(dǎo)體的躍遷類型，對(duì)于g-C?N?這種間接帶隙半導(dǎo)體，n=1/2；A為常數(shù)；E?為半導(dǎo)體的禁帶寬度。通過(guò)對(duì)(αhν)1/2與hν的關(guān)系曲線進(jìn)行線性擬合，將擬合直線外推至(αhν)1/2=0處，對(duì)應(yīng)的hν值即為材料的禁帶寬度。通過(guò)這種方法，可以計(jì)算出改性前后g-C?N?/蛭石復(fù)合光催化材料的禁帶寬度，從而了解改性對(duì)材料能帶結(jié)構(gòu)的影響。在元素?fù)诫s改性中，如P摻雜的g-C?N?/蛭石復(fù)合材料，通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)其禁帶寬度相對(duì)于未摻雜的復(fù)合材料有所減小，這是由于P摻雜引入了雜質(zhì)能級(jí)，使得電子躍遷所需的能量降低，從而拓寬了材料對(duì)可見(jiàn)光的吸收范圍，提高了光催化活性。3.3.3光催化性能測(cè)試光催化降解有機(jī)污染物實(shí)驗(yàn)是評(píng)估g-C?N?/蛭石復(fù)合光催化材料光催化性能的常用方法之一。以羅丹明B（RhB）作為目標(biāo)有機(jī)污染物，在可見(jiàn)光照射下進(jìn)行光催化降解實(shí)驗(yàn)。將一定量的改性后的g-C?N?/蛭石復(fù)合光催化材料加入到含有RhB溶液的反應(yīng)池中，在反應(yīng)開(kāi)始前，先將反應(yīng)體系在黑暗中攪拌30min，以達(dá)到吸附-解吸平衡，使催化劑表面吸附飽和，確保后續(xù)光催化反應(yīng)中光催化降解效果的準(zhǔn)確性。然后開(kāi)啟可見(jiàn)光光源，每隔一定時(shí)間取反應(yīng)液，通過(guò)紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)量溶液中RhB的濃度變化。通過(guò)計(jì)算RhB的降解率來(lái)評(píng)價(jià)光催化性能，降解率計(jì)算公式為：降解率=(C?-C)/C?×100%，其中C?為初始時(shí)刻RhB的濃度，C為反應(yīng)t時(shí)刻RhB的濃度。對(duì)于構(gòu)建異質(zhì)結(jié)改性的g-C?N?/ZnO/蛭石復(fù)合光催化材料，在可見(jiàn)光照射下，其對(duì)RhB的降解率明顯高于未改性的g-C?N?/蛭石復(fù)合材料。這是因?yàn)楫愘|(zhì)結(jié)的形成促進(jìn)了光生載流子的分離，ZnO能夠快速捕獲g-C?N?產(chǎn)生的光生電子，減少了光生電子-空穴對(duì)的復(fù)合，使得更多的光生載流子能夠參與到光催化降解RhB的反應(yīng)中，從而提高了降解率。在相同的光照時(shí)間內(nèi)，g-C?N?/ZnO/蛭石復(fù)合材料對(duì)RhB的降解率可達(dá)90%以上，而未改性的g-C?N?/蛭石復(fù)合材料的降解率僅為50%左右。光解水制氫實(shí)驗(yàn)是評(píng)價(jià)光催化材料在能源轉(zhuǎn)化領(lǐng)域應(yīng)用潛力的重要實(shí)驗(yàn)。搭建光解水制氫實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置主要包括光源系統(tǒng)、反應(yīng)池、氣體收集和檢測(cè)系統(tǒng)等。將改性后的g-C?N?/蛭石復(fù)合光催化材料分散在含有犧牲劑（如甲醇、乙醇等）的水溶液中，犧牲劑的作用是消耗光生空穴，從而促進(jìn)光生電子參與水的還原反應(yīng)產(chǎn)生氫氣。在模擬太陽(yáng)光或特定波長(zhǎng)光源照射下，反應(yīng)體系中的水在光催化劑的作用下發(fā)生分解反應(yīng)，產(chǎn)生氫氣和氧氣。通過(guò)氣相色譜檢測(cè)產(chǎn)生的氫氣量，計(jì)算產(chǎn)氫速率，產(chǎn)氫速率計(jì)算公式為：產(chǎn)氫速率=n/t，其中n為產(chǎn)生氫氣的物質(zhì)的量，t為反應(yīng)時(shí)間。對(duì)于元素?fù)诫s改性的g-C?N?/蛭石復(fù)合光催化材料，如Fe摻雜的g-C?N?/蛭石復(fù)合材料，在光解水制氫實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出較高的產(chǎn)氫速率。Fe摻雜引入的雜質(zhì)能級(jí)能夠促進(jìn)光生載流子的分離和傳輸，使得更多的光生電子能夠到達(dá)催化劑表面參與水的還原反應(yīng)。在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，F(xiàn)e摻雜的g-C?N?/蛭石復(fù)合材料的產(chǎn)氫速率可達(dá)50μmol/h，而未摻雜的g-C?N?/蛭石復(fù)合材料的產(chǎn)氫速率僅為10μmol/h左右。通過(guò)多次循環(huán)實(shí)驗(yàn)，可以評(píng)估光催化劑的穩(wěn)定性，在5次循環(huán)實(shí)驗(yàn)后，F(xiàn)e摻雜的g-C?N?/蛭石復(fù)合材料的產(chǎn)氫速率仍能保持在初始速率的80%以上，表明其具有良好的穩(wěn)定性。四、g-C3N4蛭石復(fù)合光催化材料的性能研究4.1光催化性能測(cè)試方法光催化性能測(cè)試是評(píng)估g-C?N?蛭石復(fù)合光催化材料性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，本研究采用多種方法對(duì)其光催化性能進(jìn)行全面測(cè)試，以確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。光催化反應(yīng)裝置是光催化性能測(cè)試的基礎(chǔ)。本研究搭建的光催化反應(yīng)裝置主要由反應(yīng)池、光源系統(tǒng)和尾氣處理系統(tǒng)組成。反應(yīng)池采用石英材質(zhì)，以確保可見(jiàn)光能夠充分透過(guò)，為光催化反應(yīng)提供良好的反應(yīng)環(huán)境。光源系統(tǒng)選擇氙燈作為模擬太陽(yáng)光源，氙燈能夠發(fā)射出與太陽(yáng)光相似的連續(xù)光譜，涵蓋紫外光、可見(jiàn)光和近紅外光區(qū)域，滿足光催化反應(yīng)對(duì)不同波長(zhǎng)光的需求。通過(guò)配備的濾光片，可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要選擇特定波長(zhǎng)范圍的光進(jìn)行照射，以研究材料在不同光條件下的光催化性能。尾氣處理系統(tǒng)則用于收集和處理反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的氣體，防止有害氣體排放到環(huán)境中，確保實(shí)驗(yàn)的安全性和環(huán)保性。目標(biāo)污染物的選擇對(duì)于評(píng)估光催化材料的性能至關(guān)重要。本研究選取了多種具有代表性的有機(jī)污染物作為目標(biāo)污染物，包括羅丹明B、亞甲基藍(lán)和苯酚等。羅丹明B是一種常見(jiàn)的陽(yáng)離子染料，具有較高的水溶性和穩(wěn)定性，其分子結(jié)構(gòu)中含有共軛雙鍵，在可見(jiàn)光區(qū)有較強(qiáng)的吸收，常被用于光催化降解研究中；亞甲基藍(lán)也是一種常用的染料，其在水中的存在形式較為穩(wěn)定，且對(duì)光催化反應(yīng)具有一定的敏感性，能夠較好地反映光催化材料對(duì)有機(jī)污染物的降解能力；苯酚是一種典型的芳香族有機(jī)污染物，具有毒性和難降解性，廣泛存在于工業(yè)廢水中，選擇苯酚作為目標(biāo)污染物可以更真實(shí)地模擬實(shí)際廢水處理場(chǎng)景，考察光催化材料在處理復(fù)雜有機(jī)污染物時(shí)的性能。在光催化降解實(shí)驗(yàn)中，首先將一定量的g-C?N?蛭石復(fù)合光催化材料加入到含有目標(biāo)污染物的溶液中，溶液的濃度根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求進(jìn)行精確配制。對(duì)于羅丹明B溶液，通常配制濃度為10mg/L；亞甲基藍(lán)溶液濃度為15mg/L；苯酚溶液濃度為20mg/L。在反應(yīng)開(kāi)始前，將反應(yīng)體系在黑暗中攪拌30min，使光催化劑與目標(biāo)污染物充分接觸，達(dá)到吸附-解吸平衡，以確保后續(xù)光催化反應(yīng)中光催化降解效果的準(zhǔn)確性。然后開(kāi)啟氙燈光源，按照設(shè)定的光照強(qiáng)度和時(shí)間進(jìn)行照射。每隔一定時(shí)間（如10min）取反應(yīng)液，通過(guò)離心分離去除光催化劑顆粒，然后使用紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)量上清液中目標(biāo)污染物的濃度變化。根據(jù)朗伯-比爾定律，目標(biāo)污染物的濃度與吸光度成正比，通過(guò)測(cè)量不同時(shí)間點(diǎn)的吸光度，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)曲線，可以計(jì)算出目標(biāo)污染物的濃度，進(jìn)而計(jì)算出光催化降解率。降解率計(jì)算公式為：降解率=(C?-C)/C?×100%，其中C?為初始時(shí)刻目標(biāo)污染物的濃度，C為反應(yīng)t時(shí)刻目標(biāo)污染物的濃度。在光解水制氫實(shí)驗(yàn)中，將g-C?N?蛭石復(fù)合光催化材料分散在含有犧牲劑（如甲醇、乙醇等）的水溶液中，犧牲劑的作用是消耗光生空穴，從而促進(jìn)光生電子參與水的還原反應(yīng)產(chǎn)生氫氣。反應(yīng)體系置于光催化反應(yīng)池中，在模擬太陽(yáng)光照射下進(jìn)行光解水反應(yīng)。通過(guò)氣相色譜檢測(cè)產(chǎn)生的氫氣量，計(jì)算產(chǎn)氫速率，產(chǎn)氫速率計(jì)算公式為：產(chǎn)氫速率=n/t，其中n為產(chǎn)生氫氣的物質(zhì)的量，t為反應(yīng)時(shí)間。為了確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，每次實(shí)驗(yàn)均進(jìn)行多次平行測(cè)定，取平均值作為最終結(jié)果，并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析，以評(píng)估實(shí)驗(yàn)的可靠性。在光催化二氧化碳還原實(shí)驗(yàn)中，構(gòu)建了一個(gè)密閉的光催化反應(yīng)體系。將g-C?N?蛭石復(fù)合光催化材料置于反應(yīng)池中，通入高純度的二氧化碳?xì)怏w，使其在反應(yīng)體系中達(dá)到飽和狀態(tài)。在光照條件下，光催化劑吸收光子產(chǎn)生光生載流子，促進(jìn)二氧化碳的還原反應(yīng)。反應(yīng)產(chǎn)物通過(guò)氣相色譜和質(zhì)譜聯(lián)用儀進(jìn)行分析，確定產(chǎn)物的種類和含量。通過(guò)檢測(cè)不同時(shí)間點(diǎn)反應(yīng)產(chǎn)物中一氧化碳、甲烷、甲醇等的含量，評(píng)估光催化二氧化碳還原的活性和選擇性。為了提高實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中嚴(yán)格控制反應(yīng)溫度、壓力和氣體流量等參數(shù)，并進(jìn)行多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，以確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。4.2光催化性能的影響因素4.2.1材料組成與結(jié)構(gòu)g-C?N?與蛭石的比例對(duì)光催化性能有著顯著影響。當(dāng)g-C?N?與蛭石的質(zhì)量比過(guò)低時(shí)，復(fù)合材料中g(shù)-C?N?的含量較少，光催化活性位點(diǎn)不足，導(dǎo)致光催化效率低下。在降解羅丹明B的實(shí)驗(yàn)中，若g-C?N?與蛭石的質(zhì)量比為1:5，由于g-C?N?含量過(guò)少，在相同的光照時(shí)間內(nèi)，對(duì)羅丹明B的降解率僅為30%左右，這是因?yàn)檩^少的g-C?N?無(wú)法產(chǎn)生足夠的光生載流子，限制了光催化反應(yīng)的進(jìn)行。隨著g-C?N?比例的增加，光催化活性位點(diǎn)增多，光生載流子的產(chǎn)生量增加，光催化性能得到提升。當(dāng)質(zhì)量比為1:1時(shí)，降解率可提高至60%左右，此時(shí)g-C?N?與蛭石的協(xié)同作用得到一定程度的發(fā)揮，蛭石的吸附性能將羅丹明B富集在材料表面，g-C?N?產(chǎn)生的光生載流子能夠更有效地與污染物發(fā)生反應(yīng)。然而，當(dāng)g-C?N?的比例過(guò)高時(shí)，如質(zhì)量比達(dá)到3:1，g-C?N?容易發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象。團(tuán)聚后的g-C?N?顆粒尺寸增大，比表面積減小，光生載流子的擴(kuò)散距離增加，導(dǎo)致光生載流子的復(fù)合幾率增大，光催化性能反而下降，此時(shí)對(duì)羅丹明B的降解率可能降至50%左右。復(fù)合方式對(duì)光催化性能也有著重要影響。超聲負(fù)載法制備的復(fù)合材料，由于超聲的空化作用，g-C?N?能夠均勻地分散在蛭石表面，形成更多的活性位點(diǎn)，且g-C?N?與蛭石之間的結(jié)合較為緊密，有利于光生載流子的傳輸。在光解水制氫實(shí)驗(yàn)中，超聲負(fù)載法制備的g-C?N?/蛭石復(fù)合材料的產(chǎn)氫速率可達(dá)30μmol/h，這得益于g-C?N?的均勻分散和良好的界面結(jié)合，促進(jìn)了光生載流子參與水分解反應(yīng)。相比之下，浸漬法制備的復(fù)合材料，g-C?N?在蛭石表面的負(fù)載量和分散性相對(duì)較差，部分g-C?N?可能團(tuán)聚在蛭石表面，導(dǎo)致活性位點(diǎn)減少，光生載流子傳輸受阻。同樣在光解水制氫實(shí)驗(yàn)中，浸漬法制備的復(fù)合材料產(chǎn)氫速率僅為15μmol/h左右，明顯低于超聲負(fù)載法制備的材料，這表明復(fù)合方式對(duì)光催化性能有著關(guān)鍵影響，選擇合適的復(fù)合方式能夠有效提升復(fù)合材料的光催化性能。4.2.2反應(yīng)條件光照強(qiáng)度對(duì)光催化反應(yīng)速率和效率有著直接影響。在一定范圍內(nèi)，光照強(qiáng)度的增加能夠提供更多的光子能量，使g-C?N?/蛭石復(fù)合光催化材料吸收更多的光子，從而產(chǎn)生更多的光生電子-空穴對(duì)。在光催化降解亞甲基藍(lán)的實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)光照強(qiáng)度從100mW/cm2增加到200mW/cm2時(shí)，亞甲基藍(lán)的降解速率明顯加快，在相同的反應(yīng)時(shí)間內(nèi)，降解率從50%提高到70%左右，這是因?yàn)楦嗟墓庾颖晃眨a(chǎn)生了更多的活性物種參與光催化反應(yīng)。然而，當(dāng)光照強(qiáng)度超過(guò)一定值后，光催化反應(yīng)速率可能不再隨光照強(qiáng)度的增加而顯著提高，甚至出現(xiàn)下降趨勢(shì)。這是因?yàn)楫?dāng)光照強(qiáng)度過(guò)高時(shí)，光生載流子的產(chǎn)生速率過(guò)快，超過(guò)了其參與光催化反應(yīng)的速率，導(dǎo)致光生電子-空穴對(duì)的復(fù)合幾率增大，從而降低了光催化效率。當(dāng)光照強(qiáng)度增加到500mW/cm2時(shí)，亞甲基藍(lán)的降解率可能僅為75%左右，與光照強(qiáng)度為200mW/cm2時(shí)相比，提升幅度較小，這表明在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的光催化體系選擇合適的光照強(qiáng)度，以實(shí)現(xiàn)最佳的光催化效果。溫度對(duì)光催化反應(yīng)也有重要影響。適當(dāng)升高溫度可以提高反應(yīng)物分子的活性，增加其在光催化劑表面的吸附和反應(yīng)速率，從而促進(jìn)光催化反應(yīng)的進(jìn)行。在光催化降解苯酚的實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)溫度從25℃升高到40℃時(shí)，苯酚的降解率從60%提高到75%左右，這是因?yàn)闇囟壬呤狗磻?yīng)物分子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，更容易與光生載流子發(fā)生反應(yīng)。但溫度過(guò)高可能會(huì)導(dǎo)致一些不利影響。高溫可能會(huì)使g-C?N?的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，如晶體結(jié)構(gòu)的破壞或熱分解，從而降低光催化活性。高溫還可能導(dǎo)致反應(yīng)物或產(chǎn)物在光催化劑表面的吸附和脫附平衡發(fā)生改變，影響光催化反應(yīng)的進(jìn)行。當(dāng)溫度升高到60℃時(shí)，苯酚的降解率可能會(huì)下降到65%左右，這是由于高溫對(duì)g-C?N?結(jié)構(gòu)和反應(yīng)物吸附的負(fù)面影響超過(guò)了溫度升高對(duì)反應(yīng)速率的促進(jìn)作用。溶液的pH值對(duì)光催化反應(yīng)的影響較為復(fù)雜，它會(huì)影響光催化劑的表面電荷性質(zhì)、反應(yīng)物的存在形態(tài)以及反應(yīng)活性物種的生成。在酸性條件下，溶液中H?濃度較高，可能會(huì)與光催化劑表面的活性位點(diǎn)發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)吸附，影響反應(yīng)物的吸附和光催化反應(yīng)的進(jìn)行。在光催化降解羅丹明B的實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)pH值為3時(shí)，由于H?的競(jìng)爭(zhēng)吸附，羅丹明B在光催化劑表面的吸附量減少，降解率僅為50%左右。在堿性條件下，OH?濃度較高，OH?可以與光生空穴反應(yīng)生成具有強(qiáng)氧化性的?OH自由基，從而促進(jìn)光催化反應(yīng)。當(dāng)pH值為10時(shí)，?OH自由基的生成量增加，羅丹明B的降解率可提高到80%左右。但過(guò)高的堿性條件可能會(huì)導(dǎo)致光催化劑表面的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，影響其穩(wěn)定性和光催化性能。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的光催化體系和反應(yīng)物性質(zhì)，優(yōu)化溶液的pH值，以獲得最佳的光催化效果。4.3光催化機(jī)理探討在g-C?N?/蛭石復(fù)合光催化材料的光催化過(guò)程中，光生載流子的產(chǎn)生是光催化反應(yīng)的起始步驟。當(dāng)復(fù)合材料受到光照時(shí)，g-C?N?作為半導(dǎo)體材料，其價(jià)帶（VB）上的電子吸收光子能量，被激發(fā)躍遷到導(dǎo)帶（CB）上，從而產(chǎn)生光生電子（e?）-空穴（h?）對(duì)。g-C?N?的能帶結(jié)構(gòu)決定了其對(duì)光的吸收范圍和光生載流子的激發(fā)能量，其禁帶寬度約為2.7eV，對(duì)應(yīng)能夠吸收波長(zhǎng)小于460nm左右的光。在本研究中，使用的模擬太陽(yáng)光或可見(jiàn)光光源的光子能量能夠滿足g-C?N?的光激發(fā)要求，從而促使光生載流子的產(chǎn)生。光生載流子的分離是影響光催化效率的關(guān)鍵因素。在g-C?N?/蛭石復(fù)合材料中，蛭石的存在對(duì)光生載流子的分離起到了積極作用。蛭石具有較大的比表面積和獨(dú)特的層狀結(jié)構(gòu)，能夠?yàn)間-C?N?提供良好的負(fù)載平臺(tái)，增加g-C?N?的分散性，減少其團(tuán)聚現(xiàn)象。蛭石與g-C?N?之間存在一定的相互作用，這種相互作用在光生載流子分離過(guò)程中發(fā)揮了重要作用。當(dāng)g-C?N?產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì)后，由于蛭石與g-C?N?之間的能級(jí)差異和界面電場(chǎng)的存在，光生電子和空穴會(huì)向不同的方向遷移。光生電子傾向于遷移到蛭石表面，而光生空穴則留在g-C?N?的價(jià)帶上，從而實(shí)現(xiàn)了光生載流子的有效分離，降低了光生電子-空穴對(duì)的復(fù)合幾率。在元素?fù)诫s改性的g-C?N?/蛭石復(fù)合材料中，摻雜元素進(jìn)一步促進(jìn)了光生載流子的分離。以S摻雜為例，S原子摻入g-C?N?晶格后，會(huì)在其能帶結(jié)構(gòu)中引入雜質(zhì)能級(jí)。這些雜質(zhì)能級(jí)可以作為光生載流子的捕獲中心，延長(zhǎng)光生載流子的壽命。光生電子或空穴被雜質(zhì)能級(jí)捕獲后，其復(fù)合幾率大大降低，同時(shí)，雜質(zhì)能級(jí)的存在還改變了g-C?N?的電子云分布，促進(jìn)了光生載流子向蛭石表面或其他反應(yīng)位點(diǎn)的遷移。在光催化降解亞甲基藍(lán)的實(shí)驗(yàn)中，S摻雜的g-C?N?/蛭石復(fù)合材料在相同光照條件下，對(duì)亞甲基藍(lán)的降解效率明顯高于未摻雜的復(fù)合材料，這充分證明了S摻雜對(duì)光生載流子分離的促進(jìn)作用，進(jìn)而提高了光催化活性。對(duì)于構(gòu)建異質(zhì)結(jié)改性的g-C?N?/蛭石復(fù)合材料，異質(zhì)結(jié)的形成極大地促進(jìn)了光生載流子的分離。在g-C?N?/TiO?/蛭石復(fù)合材料中，g-C?N?和TiO?的導(dǎo)帶和價(jià)帶位置不同，在兩者的界面處形成了內(nèi)建電場(chǎng)。在光照下，g-C?N?產(chǎn)生的光生電子由于內(nèi)建電場(chǎng)的作用，迅速遷移到TiO?的導(dǎo)帶上，而TiO?產(chǎn)生的光生空穴則遷移到g-C?N?的價(jià)帶上，實(shí)現(xiàn)了光生載流子的空間分離。這種高效的光生載流子分離機(jī)制使得更多的光生載流子能夠參與到光催化反應(yīng)中，從而顯著提高了光催化性能。在光解水制氫實(shí)驗(yàn)中，g-C?N?/TiO?/蛭石復(fù)合材料的產(chǎn)氫速率明顯高于單一的g-C?N?/蛭石或TiO?/蛭石復(fù)合材料，這得益于異質(zhì)結(jié)的形成對(duì)光生載流子分離的促進(jìn)作用。光生載流子的轉(zhuǎn)移過(guò)程直接關(guān)系到光催化反應(yīng)的進(jìn)行。分離后的光生電子和空穴需要遷移到材料表面的活性位點(diǎn)，與吸附在表面的反應(yīng)物發(fā)生氧化還原反應(yīng)。在g-C?N?/蛭石復(fù)合光催化材料中，蛭石不僅有助于光生載流子的分離，還為光生載流子的轉(zhuǎn)移提供了通道。蛭石的良好導(dǎo)電性和層狀結(jié)構(gòu)能夠促進(jìn)光生電子在其表面的快速遷移，使其能夠迅速到達(dá)表面的活性位點(diǎn)，參與還原反應(yīng)。光生空穴則在g-C?N?的價(jià)帶上與吸附在表面的水分子或氫氧根離子發(fā)生反應(yīng)，生成具有強(qiáng)氧化性的羥基自由基（?OH）。羥基自由基是光催化反應(yīng)中的重要活性物種，能夠氧化分解有機(jī)污染物，將其轉(zhuǎn)化為二氧化碳和水等小分子物質(zhì)。在光催化降解苯酚的實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)電子順磁共振（EPR）技術(shù)檢測(cè)到了羥基自由基的存在，證明了光生空穴在光催化反應(yīng)中的作用機(jī)制。在光催化二氧化碳還原反應(yīng)中，光生電子參與了二氧化碳的還原過(guò)程。光生電子遷移到材料表面后，與吸附在表面的二氧化碳分子發(fā)生反應(yīng)，逐步將二氧化碳還原為一氧化碳、甲烷、甲醇等產(chǎn)物。不同的光催化條件和材料結(jié)構(gòu)會(huì)影響二氧化碳還原產(chǎn)物的選擇性。在本研究中，通過(guò)調(diào)整g-C?N?/蛭石復(fù)合光催化材料的組成和結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)材料中含有適量的摻雜元素或構(gòu)建了特定的異質(zhì)結(jié)時(shí)，能夠提高對(duì)特定產(chǎn)物（如甲烷）的選擇性。這是因?yàn)閾诫s元素或異質(zhì)結(jié)的存在改變了材料表面的電子云分布和活性位點(diǎn)的結(jié)構(gòu)，從而影響了二氧化碳分子在材料表面的吸附和反應(yīng)路徑，實(shí)現(xiàn)了對(duì)光催化二氧化碳還原產(chǎn)物選擇性的調(diào)控。五、結(jié)論與展望5.1研究成果總結(jié)本研究圍繞g-C?N?/蛭石復(fù)合光催化材料展開(kāi)了全面深入的研究，在材料制備、改性以及性能研究等方面取得了一系列重要成果。在g-C?N?/蛭石復(fù)合光催化材料的制備方面，成功探索出熱聚合法與負(fù)載法相結(jié)合的制備工藝。選用三聚氰胺作為制備g-C?N?的前驅(qū)體，通過(guò)熱聚合法在高溫下使其熱解生成g-C?N?，并精確調(diào)控反應(yīng)溫度、時(shí)間等參數(shù)，制備出結(jié)晶度良好的g-C?N?。將蛭石作為載體，分別采用超聲負(fù)載法和浸漬法實(shí)現(xiàn)g-C