氮化碳材料的非金属元素掺杂设计文献综述

 2022-03-11 22:43:25

文献综述

1石墨相氮化碳的发展历史

在材料应用领域,氮化碳由于可以填补碳材料的很多不足而被认为是一种可以用来取代碳的新材料。人们对它的研究开始于上个世纪20年代。到上世纪80年代的时候,氮化碳的研究进入到了一个相当活跃的阶段。1996年,Hemley和Teter通过计算,认为氮化碳可能存在alpha;相,beta;相,立方相,类立方相以及类石墨相等5种结构[1]。在这5种可能的结构中,石墨相氮化碳(g-C3N4)被认为是氮化碳结构当中最稳定的同素异形体。由于具有很高的热稳定性,化学稳定性,半导体性能以及特殊的光学性能,g-C3N4被科研工作者应用到催化剂载体,气体储存,痕量金属离子检测以及Friedel-Crafts反应等诸多方面。2009年,王心晨等发现g-C3N4可以在可见光的照射下将水分解为氢气和氧气。从此,g-C3N4引起越来越多科研工作者对它的关注与研究[2]。

关于石墨相氮化碳的结构,目前文献报道有多种。Liu等最早提出菱形g-C3N4[3],它的空间群为R3m。这种结构其实是在B4N4菱形结构的基础上用三个C原子和一个空位替换4个B原子并按照ABCABChellip;hellip;的方式堆叠而成。Teter等通过理论计算提出一种六方g-C3N4的结构[4],它的空间群为P6m2。这种结构由三嗪环和桥连N组成,一个桥连N链接三个三嗪环,三个三嗪环和三个桥连N围城一个空隙(图1.2a),层与层之间按照ABABhellip;hellip;方式堆叠。目前国内外关于石墨相氮化碳的研究大都以这种六方结构为模型。

此外,科研工作者还提出了几种其它构型的石墨相氮化碳。比如Aires等提出了一种正交结构的石墨相氮化碳[5],这种结构也是由三嗪环和桥连N组成的,但是桥连N只与两个三嗪环相连,它的空间群为P2mm(图1.2b),层与层之间的堆叠方式为AAAhellip;.Kroke等提出了一种由七嗪单元和桥连N组成的石墨相氮化碳[6],这种结构被认为是目前最稳定的石墨相氮化碳(图1.2c)。

2石墨相氮化碳合成方法总结

由于石墨相氮化碳(g-C3N4)拥有热稳定性,化学稳定性,半导体性能以及特殊的光学性能等优点,所以研究工作者探索出了各种合成g-C3N4的方法。这些方法可以简单分为固相法、热聚合法、电化学沉积法以及溶剂热法。

2.1溶剂热法

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