石墨相氮化碳（g-C₃N₄）光催化性能优化：带隙与形貌调控策略

石墨相氮化碳（g-C₃N₄）光催化性能优化：带隙与形貌调控策略一、引言1.1研究背景与意义随着全球工业化进程的迅猛发展，能源短缺与环境污染问题日益严峻，已成为制约人类社会可持续发展的两大关键瓶颈。传统化石能源，如煤炭、石油和天然气，在为人类社会发展提供动力的同时，也带来了一系列严重的环境问题。其燃烧过程中排放的大量温室气体，如二氧化碳、甲烷等，导致全球气候变暖，引发了冰川融化、海平面上升、极端气候事件频发等一系列环境问题。同时，化石能源的不可再生性也使得其储量逐渐减少，能源危机日益加剧。据国际能源署（IEA）预测，按照目前的能源消费速度，全球石油储量仅能维持数十年，煤炭和天然气的储量也面临着严峻的挑战。在环境污染方面，工业废水、废气和废渣的排放，以及农业生产中农药、化肥的大量使用，导致了水体污染、土壤污染和空气污染等问题，严重威胁着人类的健康和生态平衡。水体中的有机污染物、重金属离子等有害物质，不仅影响了水生态系统的平衡，还会通过食物链进入人体，对人体健康造成危害。空气污染中的颗粒物、二氧化硫、氮氧化物等污染物，会引发呼吸系统疾病、心血管疾病等，给人们的生活质量带来了极大的影响。为了解决能源与环境问题，开发高效、清洁的能源转换和环境净化技术迫在眉睫。光催化技术作为一种绿色、可持续的技术，在能源和环境领域展现出了巨大的应用潜力。光催化技术利用光催化剂在光照下产生的光生载流子（电子-空穴对），引发一系列氧化还原反应，从而实现太阳能的转化和污染物的降解。光催化反应条件温和，通常在常温常压下即可进行，无需额外的高温、高压等苛刻条件，降低了能源消耗和设备成本。光催化过程中使用的催化剂大多为半导体材料，化学性质稳定，可重复使用，且不会产生二次污染，符合可持续发展的要求。在众多光催化剂中，石墨相氮化碳（g-C₃N₄）因其独特的结构和优异的性能，成为了近年来的研究热点。g-C₃N₄是一种由sp²杂化的碳（C）和氮（N）原子通过共价σ键和π键连接，形成基于三嗪环和三-均-三嗪环结构单元的网状结构的有机聚合物半导体。其具有适中的禁带宽度（约2.7eV），能够吸收太阳光谱中波长小于475nm的蓝紫光，实现可见光驱动的光催化反应，有效利用太阳能。与传统的TiO₂等光催化剂相比，g-C₃N₄具有更好的可见光响应性能，在室内光或弱光条件下也能表现出一定的催化活性，拓宽了光催化技术的应用范围。g-C₃N₄还具有良好的化学稳定性和热稳定性，在强酸强碱等恶劣环境下仍能保持结构和性能的稳定，可适应不同的反应体系和工况条件。其制备原料丰富，来源广泛，如双氰胺、尿素、三聚氰胺、硫脲等，且制备方法简单，成本低廉，易于大规模制备和工业化应用。这些优点使得g-C₃N₄在光催化分解水制氢、二氧化碳还原、有机污染物降解、抗菌消毒等领域具有广阔的应用前景，有望成为解决能源与环境问题的关键材料之一。然而，g-C₃N₄在实际应用中仍面临一些挑战。其光生载流子复合速度较快，导致电子-空穴对容易在材料内部复合，降低了光催化效率；比表面积相对较小，活性位点有限，电荷转移效率低下，限制了光催化反应的进行；可见光吸收范围较窄，对太阳能的利用效率有待进一步提高。研究表明，g-C₃N₄的光生载流子复合率高达90%以上，这使得其光催化效率难以得到有效提升。其比表面积通常在10-30m²/g之间，远远低于一些高效光催化剂的比表面积，如TiO₂纳米管的比表面积可达到100-300m²/g。为了克服这些问题，对g-C₃N₄进行结构调控和改性成为当前研究的重点。通过调控g-C₃N₄的带隙，可以使其吸收更广泛波长的光，提高对太阳能的利用效率；通过调控其形貌，可以增加比表面积和活性位点，提高电荷转移效率，从而提升光催化性能。因此，研究调控g-C₃N₄的带隙以及形貌来改进其光催化性能具有重要的理论意义和实际应用价值，有望为解决能源与环境问题提供更有效的技术手段。1.2g-C₃N₄的结构与光催化原理1.2.1g-C₃N₄的晶体结构与化学组成g-C₃N₄是一种具有类石墨烯结构的二维片层状聚合物半导体材料，其结构独特，由碳（C）和氮（N）两种地球上含量丰富的元素组成。从晶体结构角度来看，g-C₃N₄存在两种基本的结构单元，分别是以三嗪环（C_3N_3）和三-均-三嗪环（C_6N_7）为基础。这些结构单元通过共价σ键和π键相互连接，在平面内无限延伸，形成稳定的平面网状结构。在3-s-三嗪环结构中，每个C原子与3个N原子相连，每个N原子又与2个C原子相连，这种独特的连接方式使得电子云在结构中分布更为均匀，增强了化学键的强度和稳定性，赋予了g-C₃N₄良好的化学稳定性和热稳定性。Kroke等通过密度泛函理论（DFT）计算表明，由3-s-三嗪环结构连接而成的g-C₃N₄相较于三嗪环结构连接而成的更为稳定。二维纳米片层之间则依靠范德华力相互作用，进而堆积形成类似于石墨的层状结构。从化学组成方面分析，g-C₃N₄中氮原子与碳原子的原子比理论值约为1.33。通过X射线光电子能谱（XPS）、电子能量损失谱（EELS）等技术可以对其化学组成进行精确分析。EELS分析可确定g-C₃N₄中C和N原子的化学环境和原子比，研究表明其原子比与理论值相符。XPS能提供有关元素化学状态的信息，分析C1s和N1s的特征峰，可以了解C-N键的具体情况，如C-N键的类型、键能等。研究发现，g-C₃N₄中C原子主要以sp^2杂化形式存在，与N原子形成共价键，这种杂化方式和化学键类型对其电子结构和物理化学性质有着重要影响。1.2.2g-C₃N₄的光催化基本原理g-C₃N₄作为一种光催化剂，其光催化过程基于半导体的光激发原理。当能量大于或等于g-C₃N₄禁带宽度（约2.7eV）的光子照射到g-C₃N₄材料上时，价带（VB）中的电子会吸收光子能量，发生带间跃迁，从价带跃迁到导带（CB），从而在价带中留下空穴，形成光生电子-空穴对，这一过程可表示为：g-C₃N₄+hν→e^-_{CB}+h^+_{VB}，其中hν表示光子能量，e^-_{CB}表示导带中的电子，h^+_{VB}表示价带中的空穴。光生电子和空穴具有较强的氧化还原能力，是光催化反应的关键活性物种。导带中的电子具有较强的还原性，可以与吸附在催化剂表面的电子受体发生还原反应。例如，在光催化分解水制氢反应中，电子可以将水中的氢离子还原为氢气，反应方程式为：2H^++2e^-→H₂。价带中的空穴具有较强的氧化性，能够与吸附在催化剂表面的电子供体发生氧化反应。以光催化降解有机污染物为例，空穴可以将有机污染物氧化分解为二氧化碳、水等小分子物质，实现对污染物的去除。在光催化氧化水中的有机污染物罗丹明B时，空穴首先与吸附在催化剂表面的水分子或氢氧根离子反应，生成具有强氧化性的羟基自由基（・OH），反应式为：H₂O+h^+→·OH+H^+或OH^-+h^+→·OH。羟基自由基具有极高的氧化活性，能够将罗丹明B等有机污染物迅速氧化分解，最终实现污染物的降解。然而，光生电子-空穴对在g-C₃N₄内部存在复合的可能性，这是导致光催化效率降低的主要原因之一。光生电子和空穴在材料内部的迁移过程中，可能会由于相互之间的库仑吸引力而重新复合，以热能的形式释放能量，从而无法参与光催化反应。为了提高光催化效率，需要采取有效的措施抑制光生电子-空穴对的复合，促进其分离和转移。通过构建异质结、元素掺杂、表面修饰等方法，可以改变g-C₃N₄的电子结构和表面性质，延长光生载流子的寿命，提高光催化活性。1.3g-C₃N₄光催化性能的限制因素1.3.1宽带隙对光吸收的限制g-C₃N₄的禁带宽度约为2.7eV，这一数值决定了其对光的吸收范围主要集中在紫外光区以及部分可见光区，具体来说，对应能吸收的光波长小于475nm。从太阳光谱分布来看，太阳辐射能量主要集中在可见光区（400-760nm）和近红外光区（760-2500nm），紫外光区（10-400nm）的能量占比较小。g-C₃N₄仅能吸收太阳光谱中一小部分蓝紫光，对大部分可见光无法有效利用，这极大地限制了其对太阳能的捕获效率。研究表明，在光催化分解水制氢反应中，由于g-C₃N₄对可见光吸收不足，导致光生载流子产生数量有限，使得氢气的产率较低。在使用g-C₃N₄作为光催化剂，在可见光照射下进行水分解制氢实验时，氢气的产率仅为0.1mmol/h，远低于理论预期值。宽带隙还使得g-C₃N₄在一些对光吸收要求较高的光催化应用中表现不佳。在光催化降解有机污染物时，需要足够的光生载流子来引发氧化还原反应，将污染物分解为无害的小分子物质。由于g-C₃N₄对可见光吸收受限，光生载流子的产生效率低，导致对有机污染物的降解速率较慢，降解效果不理想。在对含有罗丹明B的有机废水进行光催化降解实验中，使用g-C₃N₄作为催化剂，在可见光照射下反应120分钟后，罗丹明B的降解率仅为50%，无法满足实际废水处理的需求。1.3.2形貌相关的性能短板g-C₃N₄通常呈现出块状或层状结构，这种结构导致其比表面积相对较小。一般情况下，g-C₃N₄的比表面积在10-30m²/g之间，而一些高效光催化剂，如TiO₂纳米管的比表面积可达到100-300m²/g。较小的比表面积意味着g-C₃N₄表面能够提供的活性位点有限，不利于反应物分子的吸附和光催化反应的进行。在光催化还原二氧化碳反应中，二氧化碳分子需要吸附在催化剂表面的活性位点上，才能与光生载流子发生反应，转化为有用的碳氢化合物。由于g-C₃N₄的活性位点不足，二氧化碳的吸附量较低，使得光催化还原二氧化碳的反应速率较慢，产物选择性也较低。研究表明，在光催化还原二氧化碳反应中，g-C₃N₄对二氧化碳的吸附量仅为0.1mmol/g，而具有较大比表面积的催化剂对二氧化碳的吸附量可达到1mmol/g以上。g-C₃N₄的层状结构还会导致其电荷转移效率低下。光生载流子在g-C₃N₄内部迁移时，容易受到层间范德华力的阻碍，增加了载流子复合的概率，降低了光生载流子的分离效率。在光催化分解水制氢反应中，光生电子和空穴需要快速迁移到催化剂表面，分别参与还原和氧化反应。由于g-C₃N₄的电荷转移效率低，光生载流子在迁移过程中容易复合，导致参与反应的光生载流子数量减少，从而降低了氢气的产率。研究发现，通过对g-C₃N₄进行形貌调控，制备出具有多孔结构的g-C₃N₄，可有效提高其比表面积和电荷转移效率，从而提升光催化性能。与块状g-C₃N₄相比，多孔g-C₃N₄的比表面积提高了5倍，光催化分解水制氢的产率提高了3倍。1.4研究目的与内容1.4.1研究目的本研究旨在深入探究调控g-C₃N₄带隙及形貌的有效策略，以显著改进其光催化性能，从而为解决能源与环境问题提供更高效的光催化材料和技术方案。具体而言，通过对g-C₃N₄带隙的精准调控，拓宽其对光的吸收范围，提高对太阳能的利用效率，实现更充分的光生载流子激发；通过对其形貌的优化，增大比表面积，增加活性位点，提高电荷转移效率，抑制光生载流子的复合，进而提升光催化反应的速率和效率。同时，揭示带隙调控和形貌控制与光催化性能之间的内在关联和作用机制，为g-C₃N₄基光催化剂的设计和开发提供理论指导和实验依据。1.4.2研究内容本研究主要从以下几个方面展开：g-C₃N₄带隙调控方法的研究：系统研究元素掺杂、构建异质结等手段对g-C₃N₄带隙的调控作用。通过理论计算和实验相结合的方式，深入分析不同元素（如金属元素、非金属元素）掺杂对g-C₃N₄电子结构和能带结构的影响，探索掺杂元素种类、掺杂浓度与带隙变化之间的关系。在元素掺杂研究中，选择氮（N）、磷（P）、硫（S）等非金属元素以及铁（Fe）、钴（Co）、镍（Ni）等金属元素作为掺杂对象，采用第一性原理计算方法，模拟掺杂前后g-C₃N₄的电子结构和能带结构变化，预测不同掺杂体系的带隙值。通过实验制备掺杂g-C₃N₄样品，利用X射线光电子能谱（XPS）、紫外-可见漫反射光谱（UV-VisDRS）等技术对样品的化学组成、能带结构和光吸收性能进行表征，验证理论计算结果，确定最佳的掺杂元素和掺杂浓度。研究不同类型异质结（如II型异质结、Z型异质结、S型异质结等）的构建对g-C₃N₄带隙的调控效果，分析异质结界面处的电荷转移机制和能带匹配情况，揭示异质结结构与光催化性能之间的内在联系。以g-C₃N₄与TiO₂构建II型异质结为例，通过水热法、溶胶-凝胶法等制备g-C₃N₄/TiO₂异质结光催化剂，利用高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）、光致发光光谱（PL）、瞬态光电流测试等技术，研究异质结界面的微观结构、光生载流子的分离和转移效率，以及异质结结构对光催化性能的影响规律。g-C₃N₄形貌控制策略的研究：探索采用模板法、热剥离法、超声辅助法等制备具有不同形貌（如纳米片、纳米管、纳米球、多孔结构等）g-C₃N₄的方法，研究形貌变化对其比表面积、孔结构、电荷转移性能等的影响。在模板法制备g-C₃N₄纳米结构的研究中，选择二氧化硅（SiO₂）纳米球、聚苯乙烯（PS）微球、阳极氧化铝（AAO）模板等作为硬模板，以及表面活性剂、聚合物等作为软模板，通过浸渍、涂覆、原位聚合等方法，在模板表面或内部生长g-C₃N₄，然后去除模板，得到具有特定形貌的g-C₃N₄。利用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、氮气吸附-脱附等温线等技术，表征g-C₃N₄的形貌、比表面积和孔结构，分析模板种类、制备工艺对g-C₃N₄形貌和结构的影响规律。研究热剥离法制备二维g-C₃N₄纳米片的工艺条件，如热解温度、升温速率、保温时间等对纳米片厚度、尺寸和结晶度的影响，以及超声辅助法对g-C₃N₄形貌和分散性的调控作用。通过控制热解温度在500-700℃之间，升温速率为5-10℃/min，保温时间为1-3小时，研究热解温度、升温速率和保温时间对g-C₃N₄纳米片厚度和结晶度的影响。利用超声辅助法，在不同超声功率、超声时间和超声频率下，对g-C₃N₄进行处理，研究超声条件对其形貌和分散性的影响。带隙与形貌协同调控对g-C₃N₄光催化性能的影响研究：综合考虑带隙调控和形貌控制，制备具有特定带隙和形貌的g-C₃N₄复合材料，研究其在光催化分解水制氢、二氧化碳还原、有机污染物降解等典型反应中的光催化性能，明确带隙与形貌协同作用对光催化性能的影响机制。以光催化分解水制氢反应为例，制备不同带隙和形貌的g-C₃N₄基复合材料，通过光催化产氢实验，测定其在不同光照条件下的产氢速率和量子效率，分析带隙和形貌对光生载流子产生、分离和转移的影响，以及它们与光催化产氢性能之间的关系。在光催化降解有机污染物实验中，选择罗丹明B、亚甲基蓝、苯酚等有机污染物作为模型污染物，研究不同带隙和形貌的g-C₃N₄复合材料对有机污染物的降解效率和降解动力学，探讨带隙与形貌协同调控对光催化降解反应的促进作用和机制。g-C₃N₄光催化反应机理的深入探究：运用原位表征技术（如原位红外光谱、原位拉曼光谱、原位光电子能谱等）和理论计算方法（如密度泛函理论DFT计算），深入研究调控后的g-C₃N₄在光催化反应过程中的电荷转移、活性物种生成和反应路径等，揭示光催化反应的微观机理。利用原位红外光谱技术，实时监测g-C₃N₄在光催化二氧化碳还原反应过程中反应中间体的生成和转化，确定反应路径和关键反应步骤。结合DFT计算，分析光生载流子在g-C₃N₄中的迁移和复合过程，以及活性物种（如羟基自由基、超氧自由基等）的生成机制，为进一步优化g-C₃N₄的光催化性能提供理论基础。二、调控g-C₃N₄带隙改进光催化性能2.1高压调控策略2.1.1高压下g-C₃N₄带隙演变机制中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所的丁俊峰团队联合中国科学技术大学的章根强教授，对高压下g-C₃N₄的带隙演变机制展开了深入研究，相关成果发表在PhysicalReviewApplied上。该研究指出，高压技术作为一种能够改变材料性质的通用手段，为在不改变成分的情况下调整带隙和光电特性提供了有效策略。在研究中，团队采用碱辅助热聚合法成功制备了含氮空位缺陷的g-C₃N₄纳米片，其氮碳比为9:10。随后，利用金刚石对顶砧（DAC）结合拉曼光谱、同步辐射X射线衍射、高压吸收光谱、光电流等技术，系统地探究了g-C₃N₄在高压下的带隙演变和光电响应行为。结果表明，在氮缺陷的辅助下，g-C₃N₄由于压力驱动发生了由石墨相向非晶相的结构转变（PIA）。这是因为在高压作用下，g-C₃N₄晶体内部的原子间距离和键角发生改变，导致晶体结构的有序性被破坏，逐渐向非晶态转变。这种结构转变对g-C₃N₄的带隙产生了显著影响。随着压力的增加，氮缺陷g-C₃N₄的荧光光谱（PL）由黄色转变为红色，最小带隙达到1.70eV。这是由于结构转变引起了电子云分布的变化，使得g-C₃N₄的能带结构发生重构，从而实现了带隙的优化。具体来说，在石墨相g-C₃N₄中，其具有相对规整的晶体结构，电子在其中的运动受到一定的限制，能带结构较为稳定。而在高压下发生向非晶相的转变后，原子排列的无序性增加，电子的运动状态发生改变，导致能带结构发生变化，带隙变窄。变窄的带隙增强了可见光范围内的光吸收，使g-C₃N₄能够吸收更多波长范围的光，为光催化反应提供更多的能量。能带结构的变化还影响了光生载流子的产生和传输，使得光生载流子的分离效率提高，从而增强了光催化活性。2.1.2实验案例分析以含氮空位缺陷g-C₃N₄纳米片的实验为例，进一步阐述高压调控对其光催化性能的影响。在该实验中，通过碱辅助热聚合法制备的含氮空位缺陷g-C₃N₄纳米片，利用金刚石对顶砧技术施加不同的压力，研究其在高压下的性能变化。在光吸收方面，随着压力的增加，g-C₃N₄的吸收光谱发生明显变化。当压力达到一定程度时，其吸收边向长波方向移动，表明带隙逐渐变窄，对可见光的吸收能力增强。这是因为高压下g-C₃N₄的结构转变改变了其电子结构，使得电子跃迁所需的能量降低，从而能够吸收更长波长的光。研究表明，当压力达到10GPa时，g-C₃N₄对500-600nm波长范围的光吸收显著增强，光吸收系数提高了约50%。光电流测试结果也直观地反映了高压调控的效果。在可见光照射下，未施加高压时，g-C₃N₄纳米片的光电流较低，约为18nA。随着压力的升高，光电流逐渐增大。当压力高于PIA转变压力17GPa时，降压到环境压力下，g-C₃N₄仍能保持窄带隙，此时光电流提高了近2倍，达到约29nA。这是因为带隙的变窄使得光生载流子更容易产生，且结构转变促进了光生载流子的分离和传输，减少了复合，从而提高了光电流。通过对光电流随时间变化的曲线分析发现，在高压处理后的g-C₃N₄纳米片中，光生载流子的寿命明显延长，载流子复合率降低了约30%，进一步证明了高压调控对光生载流子分离和传输的促进作用。2.2元素掺杂策略2.2.1非金属元素掺杂对带隙的影响非金属元素掺杂是调控g-C₃N₄带隙的一种有效手段。以氧掺杂为例，氧原子的电负性与氮原子相近，当氧原子掺入g-C₃N₄晶格中时，会与周围的碳原子和氮原子形成新的化学键，从而改变g-C₃N₄的电子结构，进而减小带隙。在郑州大学许群教授团队的研究中，采用超临界CO₂辅助制备了2D氧掺杂非晶g-C₃N₄，通过调控超临界CO₂的压力，实现了对g-C₃N₄表面结构和氧掺杂浓度的精确调整。研究发现，平面内氧掺杂使g-C₃N₄纳米片的带隙发生了明显变化，带隙的调控范围达到了0.5-1.0eV。从理论计算角度分析，氧掺杂引入的氧原子会在g-C₃N₄的能带结构中产生新的能级，这些能级与g-C₃N₄原有的价带和导带相互作用，使得能带结构发生畸变。具体来说，氧原子的2p轨道与g-C₃N₄中C和N原子的2p轨道发生杂化，形成新的成键和反键轨道，导致价带和导带的位置发生移动，从而使带隙变窄。密度泛函理论（DFT）计算结果表明，氧掺杂后g-C₃N₄的价带顶向高能级方向移动，导带底向低能级方向移动，带隙宽度减小了约0.3eV。这种带隙的减小使得g-C₃N₄能够吸收更长波长的光，增强了其对可见光的响应能力。在光催化降解亚甲基蓝的实验中，氧掺杂g-C₃N₄对450-600nm波长范围的光吸收显著增强，光吸收系数提高了约40%，亚甲基蓝的降解率在相同光照时间内提高了30%。2.2.2金属元素掺杂的作用与效果金属元素掺杂在调控g-C₃N₄光催化性能方面具有重要作用。当金属元素掺入g-C₃N₄晶格中时，会在其能带结构中引入杂质能级，这些杂质能级可以作为光生载流子的捕获阱，有效地抑制光生电子-空穴对的复合，从而延长载流子的寿命。不同金属元素的掺杂还能对g-C₃N₄的带隙进行调控，使g-C₃N₄的光吸收范围向可见光区拓展，提高对太阳能的利用效率。以铁（Fe）掺杂g-C₃N₄为例，Fe原子的3d电子轨道与g-C₃N₄的价带和导带相互作用，在禁带中引入了新的杂质能级。当g-C₃N₄受到光照激发产生光生电子和空穴后，电子可以被Fe杂质能级捕获，从而减少了电子与空穴的复合概率。研究表明，Fe掺杂后，g-C₃N₄的光生载流子寿命延长了约2倍，载流子复合率降低了40%。从光吸收性能来看，Fe掺杂使得g-C₃N₄的吸收边发生红移，对可见光的吸收能力增强。通过紫外-可见漫反射光谱（UV-VisDRS）测试发现，Fe掺杂g-C₃N₄在500-650nm波长范围内的光吸收明显增强，光吸收系数提高了约35%，这使得g-C₃N₄在可见光照射下能够产生更多的光生载流子，从而提升光催化活性。在光催化分解水制氢实验中，Fe掺杂g-C₃N₄的氢气产率相较于未掺杂的g-C₃N₄提高了2.5倍，达到了0.25mmol/h。金属元素掺杂还可以改变g-C₃N₄的表面性质，增强其对反应物分子的吸附能力。在光催化还原二氧化碳反应中，金属掺杂后的g-C₃N₄对二氧化碳分子的吸附量显著增加，为光催化反应提供了更多的反应活性位点。研究表明，钴（Co）掺杂g-C₃N₄对二氧化碳的吸附量比未掺杂的g-C₃N₄提高了1.5倍，达到了0.25mmol/g，这使得光催化还原二氧化碳的反应速率加快，产物选择性也得到了提高。2.3构建异质结策略2.3.1g-C₃N₄基异质结的类型与特点根据g-C₃N₄与耦合组分之间光生电荷载流子转移机制的不同，g-C₃N₄基异质结光催化剂可分为多种类型，其中常见的有II型、Z型、S型等异质结，它们各自具有独特的结构与电荷转移特点。II型异质结是较为常见的一种结构，当g-C₃N₄与另一种半导体材料形成II型异质结时，两种半导体的导带和价带位置存在一定的差异。以g-C₃N₄与TiO₂形成的II型异质结为例，TiO₂的导带底电位比g-C₃N₄的导带底电位更负，价带顶电位比g-C₃N₄的价带顶电位更正。在光照条件下，g-C₃N₄和TiO₂分别产生光生电子-空穴对，由于导带和价带的电位差，g-C₃N₄价带中的空穴会向TiO₂的价带转移，而TiO₂导带中的电子会向g-C₃N₄的导带转移，这种电荷转移方式有效地促进了光生载流子的分离，减少了电子-空穴对的复合，从而提高了光催化活性。II型异质结的形成还能拓宽光吸收范围，因为两种半导体材料对光的吸收范围不同，组合形成异质结后，可以吸收更广泛波长的光，提高对太阳能的利用效率。Z型异质结则具有更为复杂的电荷转移机制。在g-C₃N₄基Z型异质结中，通常存在两种半导体材料以及作为电子媒介的氧化还原对。以g-C₃N₄与WO₃形成的Z型异质结为例，在光照下，g-C₃N₄产生的光生电子具有较强的还原性，WO₃产生的光生空穴具有较强的氧化性。在氧化还原对的作用下，g-C₃N₄导带中的电子与WO₃价带中的空穴发生复合，而g-C₃N₄价带中的空穴和WO₃导带中的电子则保留下来参与光催化反应。这种电荷转移方式使得光生载流子能够保持较高的氧化还原能力，有利于提高光催化反应的效率和选择性。Z型异质结还能增强对可见光的吸收，通过合理选择半导体材料和氧化还原对，可以优化异质结的光吸收性能，使其更有效地利用可见光进行光催化反应。S型异质结是近年来研究较多的一种新型异质结。在g-C₃N₄基S型异质结中，内建电场在电荷转移过程中起到关键作用。以MoS₂/g-C₃N₄S型异质结为例，MoS₂和g-C₃N₄接触后，由于两者的费米能级不同，会在界面处形成内建电场。在光照下，g-C₃N₄和MoS₂分别产生光生电子-空穴对，在界面内建电场的作用下，g-C₃N₄价带中具有较弱氧化能力的空穴与MoS₂导带中具有较弱还原能力的电子发生复合，而保留下来的是g-C₃N₄导带中具有强还原能力的电子和MoS₂价带中具有强氧化能力的空穴。这种电荷转移方式既促进了光生载流子的分离，又保留了载流子的高氧化还原活性，从而提高了光催化性能。S型异质结还具有较好的稳定性，由于内建电场的存在，使得异质结界面处的电荷转移更加有序，减少了载流子的复合和催化剂的失活，有利于光催化反应的长期稳定进行。2.3.2异质结构建对带隙和光催化性能的影响以MoS₂/g-C₃N₄S型异质结为例，其构建对g-C₃N₄的带隙和光催化性能有着显著影响。从带隙角度来看，MoS₂与g-C₃N₄形成S型异质结后，由于两者之间的相互作用，会导致g-C₃N₄的能带结构发生变化。具体来说，MoS₂的引入使得g-C₃N₄的导带和价带位置发生移动，从而改变了g-C₃N₄的带隙。研究表明，通过调控MoS₂的负载量，可以实现对g-C₃N₄带隙的有效调控。当MoS₂的负载量为5%时，MoS₂/g-C₃N₄S型异质结的带隙相较于纯g-C₃N₄有所减小，从2.7eV减小到了2.5eV左右。这种带隙的减小使得异质结能够吸收更长波长的光，增强了对可见光的响应能力。通过紫外-可见漫反射光谱（UV-VisDRS）测试发现，MoS₂/g-C₃N₄S型异质结在500-600nm波长范围内的光吸收明显增强，光吸收系数提高了约30%。在光催化性能方面，MoS₂/g-C₃N₄S型异质结表现出优异的性能。在可见光照射下，5%MoS₂/g-C₃N₄对罗丹明B（RhB）溶液的降解率在20min时达到了99%，且样品重复使用5次后对RhB的降解率仍能达到95.2%，表现出良好的光催化性能及稳定性。这主要是因为S型异质结的形成促进了载流子的分离。在异质结界面处，内建电场引起的能带弯曲可以有效引导载流子的定向迁移，使得g-C₃N₄导带中具有强还原能力的电子和MoS₂价带中具有强氧化能力的空穴能够快速迁移到催化剂表面，参与光催化反应，从而提高了光催化反应效率。自由基捕获实验表明，在催化降解RhB的过程中，超氧自由基（・O₂⁻）和羟基自由基（・OH）是主要的活性物种，空穴（h⁺）的贡献次之。这进一步说明了S型异质结中载流子的有效分离和高活性，使得光催化反应能够高效进行。三、调控g-C₃N₄形貌改进光催化性能3.1纳米结构调控3.1.1纳米片的制备与性能优势制备g-C₃N₄纳米片的方法众多，模板法是其中较为常用的一种。以二氧化硅（SiO₂）纳米球为硬模板时，首先将三聚氰胺等g-C₃N₄前驱体均匀地包覆在SiO₂纳米球表面，通过高温煅烧使前驱体发生聚合反应形成g-C₃N₄，随后利用氢氟酸（HF）溶液将SiO₂模板溶解去除，即可得到g-C₃N₄纳米片。这种方法能够精确控制纳米片的尺寸和形貌，所得纳米片的厚度可控制在几纳米到几十纳米之间，且尺寸分布较为均匀。热剥离法也是制备g-C₃N₄纳米片的有效手段。将块状g-C₃N₄在高温下进行热处理，使其层间的范德华力被破坏，从而实现层状结构的剥离，得到纳米片。通过控制热解温度、升温速率和保温时间等参数，可以调节纳米片的厚度和尺寸。研究表明，当热解温度为600℃，升温速率为5℃/min，保温时间为2小时时，能够制备出厚度约为5-10nm的高质量g-C₃N₄纳米片。g-C₃N₄纳米片在光催化性能方面展现出显著的优势。从比表面积角度来看，纳米片结构极大地增加了材料的比表面积。普通块状g-C₃N₄的比表面积通常在10-30m²/g之间，而通过模板法或热剥离法制备的g-C₃N₄纳米片，比表面积可提高至100-300m²/g。较大的比表面积意味着材料表面能够提供更多的活性位点，有利于反应物分子的吸附和光催化反应的进行。在光催化降解有机污染物罗丹明B的实验中，g-C₃N₄纳米片对罗丹明B的吸附量比块状g-C₃N₄提高了约2倍，达到了15mg/g，这使得光催化降解反应能够更快地进行，降解效率得到显著提升。纳米片结构还能有效提高电荷转移效率。由于纳米片的厚度较薄，光生载流子在材料内部迁移到表面的距离缩短，减少了载流子复合的概率。研究表明，g-C₃N₄纳米片中光生载流子的寿命比块状g-C₃N₄延长了约1倍，从10ns延长至20ns，这使得更多的光生载流子能够参与光催化反应，从而提高了光催化活性。在光催化分解水制氢反应中，g-C₃N₄纳米片的氢气产率相较于块状g-C₃N₄提高了3倍，达到了0.3mmol/h。3.1.2纳米颗粒与纳米棒的形貌特点及应用g-C₃N₄纳米颗粒通常呈现出球形或近似球形的形貌，其粒径一般在几十纳米到几百纳米之间。纳米颗粒具有较高的比表面积和表面能，表面原子的比例较大，使得其表面活性位点丰富。这使得纳米颗粒在光催化反应中能够快速吸附反应物分子，为光催化反应提供更多的反应机会。在光催化还原二氧化碳反应中，g-C₃N₄纳米颗粒对二氧化碳分子的吸附速率比块状g-C₃N₄提高了约1.5倍，能够更快地将二氧化碳分子吸附到催化剂表面，促进光催化反应的进行。纳米颗粒的小尺寸效应还能影响其光催化性能。由于尺寸较小，纳米颗粒的量子限域效应增强，导致其能带结构发生变化，光生载流子的分离效率提高。研究表明，g-C₃N₄纳米颗粒的光生载流子复合率比块状g-C₃N₄降低了约30%，这使得更多的光生载流子能够参与光催化反应，从而提高了光催化活性。在光催化降解亚甲基蓝的实验中，g-C₃N₄纳米颗粒在可见光照射下30分钟内对亚甲基蓝的降解率达到了80%，而块状g-C₃N₄的降解率仅为50%。g-C₃N₄纳米棒则具有一维的棒状结构，其长度通常在几百纳米到几微米之间，直径在几十纳米左右。纳米棒的独特形貌使其具有各向异性的性质，在光催化反应中表现出特殊的性能。纳米棒的长轴方向可以作为电荷传输的通道，有利于光生载流子的定向迁移，提高电荷转移效率。在光催化分解水制氢反应中，g-C₃N₄纳米棒的光生电子能够沿着棒的长轴方向快速迁移到催化剂表面，参与还原反应，从而提高了氢气的产率。研究表明，g-C₃N₄纳米棒的氢气产率比块状g-C₃N₄提高了2倍，达到了0.2mmol/h。纳米棒的高长径比还能增加其与反应物分子的接触面积，提高反应物分子在催化剂表面的吸附量。在光催化氧化一氧化碳的反应中，g-C₃N₄纳米棒对一氧化碳分子的吸附量比块状g-C₃N₄提高了约1.8倍，能够更有效地将一氧化碳分子吸附到催化剂表面，促进光催化氧化反应的进行，使一氧化碳的转化率提高了30%。3.2多孔结构构建3.2.1多孔g-C₃N₄的制备方法硬模板法是制备多孔g-C₃N₄的常用方法之一。在该方法中，通常使用具有特定孔结构的材料作为硬模板，如二氧化硅（SiO₂）纳米球、阳极氧化铝（AAO）模板等。以SiO₂纳米球为模板制备多孔g-C₃N₄时，首先将g-C₃N₄前驱体（如三聚氰胺）溶解在适当的溶剂中，然后将SiO₂纳米球加入到前驱体溶液中，通过搅拌、超声等手段使前驱体均匀地包覆在SiO₂纳米球表面。随后，通过高温煅烧使前驱体发生聚合反应，形成g-C₃N₄。最后，使用氢氟酸（HF）溶液将SiO₂模板溶解去除，即可得到具有多孔结构的g-C₃N₄。这种方法制备的多孔g-C₃N₄的孔径大小和形状取决于模板的尺寸和形貌，能够精确控制孔结构，制备出孔径分布均匀的多孔材料。软模板法则利用表面活性剂、聚合物等软模板剂来制备多孔g-C₃N₄。以表面活性剂为软模板时，表面活性剂分子在溶液中会自组装形成胶束、反相微乳液等有序聚集体，这些聚集体可以作为模板引导g-C₃N₄的生长。在制备过程中，将g-C₃N₄前驱体与表面活性剂溶液混合，前驱体在表面活性剂形成的模板内部或表面发生聚合反应，形成g-C₃N₄。随后，通过煅烧或溶剂萃取等方法去除表面活性剂模板，即可得到多孔g-C₃N₄。这种方法制备的多孔g-C₃N₄的孔结构相对较为复杂，但具有制备过程简单、成本较低的优点。通过调整表面活性剂的种类、浓度和反应条件，可以调控多孔g-C₃N₄的孔结构和比表面积。除了上述两种方法，还可以采用牺牲模板法来制备多孔g-C₃N₄。在牺牲模板法中，使用一些可被去除的材料作为模板，如聚合物微球、碳球等。以聚合物微球为牺牲模板时，将聚合物微球与g-C₃N₄前驱体混合，使前驱体在微球表面或内部生长，然后通过高温煅烧或化学溶解等方法去除聚合物微球，从而得到多孔g-C₃N₄。这种方法可以制备出具有特殊孔结构的g-C₃N₄，如具有多级孔结构的材料，能够同时兼顾大孔和小孔的优势，提高材料的性能。3.2.2多孔结构对光催化性能的促进作用多孔结构能够显著增加g-C₃N₄的比表面积，为光催化反应提供更多的活性位点。普通块状g-C₃N₄的比表面积通常在10-30m²/g之间，而通过模板法制备的多孔g-C₃N₄，比表面积可提高至100-500m²/g。较大的比表面积使得更多的反应物分子能够吸附在催化剂表面，增加了反应物与光生载流子的接触机会，从而促进光催化反应的进行。在光催化降解有机污染物亚甲基蓝的实验中，多孔g-C₃N₄对亚甲基蓝的吸附量比块状g-C₃N₄提高了约3倍，达到了20mg/g，这使得光催化降解反应能够更快地进行，降解效率得到显著提升。研究表明，多孔g-C₃N₄在可见光照射下60分钟内对亚甲基蓝的降解率达到了90%，而块状g-C₃N₄的降解率仅为50%。多孔结构还能促进光散射，延长光在材料内部的传播路径，增加光与g-C₃N₄的相互作用时间，从而提高光的利用效率。当光照射到多孔g-C₃N₄上时，光在孔道内不断散射和反射，使得光能够更充分地被材料吸收。研究发现，多孔g-C₃N₄的光吸收效率比块状g-C₃N₄提高了约40%，这使得更多的光子能够激发产生光生载流子，为光催化反应提供更多的能量。在光催化分解水制氢反应中，多孔g-C₃N₄的氢气产率相较于块状g-C₃N₄提高了4倍，达到了0.4mmol/h，这充分体现了多孔结构对光利用效率的提升作用。多孔结构还能改善g-C₃N₄的电荷转移性能。多孔结构缩短了光生载流子从材料内部到表面的传输距离，减少了载流子复合的概率。研究表明，多孔g-C₃N₄中光生载流子的寿命比块状g-C₃N₄延长了约1.5倍，从10ns延长至25ns，这使得更多的光生载流子能够参与光催化反应，从而提高了光催化活性。在光催化还原二氧化碳反应中，多孔g-C₃N₄对二氧化碳的还原速率比块状g-C₃N₄提高了3倍，能够更有效地将二氧化碳转化为有用的碳氢化合物。3.3复合结构设计3.3.1与金属有机框架（MOFs）复合金属有机框架（MOFs）是一类由金属离子或金属簇与有机配体通过配位键组装而成的具有周期性网络结构的多孔材料，其具有高比表面积、可调控的孔结构和丰富的活性位点等优点。当g-C₃N₄与MOFs复合时，二者形成的复合结构展现出独特的性能优势。青岛科技大学陶旭梅教授团队以废PET为原料，通过介质阻挡放电（DBD）等离子体合成了II型异质结光芬顿催化剂g-C₃N₄/Fe-MOFs。Fe-MOFs的耦合增强了g-C₃N₄的可见光吸收区，并诱导II型异质结的形成，从而抑制了光生电子和空穴的复合。在该复合结构中，g-C₃N₄与Fe-MOFs的界面处存在较强的相互作用，这种相互作用促进了电荷的转移。当复合光催化剂受到光照时，g-C₃N₄产生的光生电子可以快速转移到Fe-MOFs上，而Fe-MOFs产生的光生空穴则转移到g-C₃N₄上，有效地分离了光生载流子，减少了复合。从光催化性能来看，g-C₃N₄/Fe-MOFs表现出更高的光Fenton催化性能，分别是g-C₃N₄的4.42和3.30倍。这是因为Fe-MOFs暴露了丰富的配体-不饱和Fe位点，可以与H₂O₂强烈相互作用，且具有广泛的可见光响应和高的化学稳定性，使其成为合适的芬顿催化剂。g-C₃N₄与MOFs之间形成的复合界面增加了表面静电相互作用，获得了独特的孔隙率和形态，进一步促进了光催化反应的进行。在光催化降解盐酸多西环素（DOX）的实验中，g-C₃N₄/Fe-MOFs能够快速吸附DOX分子到其表面的活性位点上，在光生载流子和H₂O₂的共同作用下，将DOX分子快速分解为无害的小分子物质，实现了对DOX的高效降解。3.3.2与碳材料复合碳材料具有优异的导电性、高比表面积和良好的化学稳定性等特点，与g-C₃N₄复合后，能够有效改善g-C₃N₄的导电性和光催化性能。当g-C₃N₄与碳材料复合时，碳材料可以作为电子传输通道，促进光生电子的快速迁移，从而提高光生载流子的分离效率。碳材料的高比表面积还能增加复合材料对反应物分子的吸附能力，为光催化反应提供更多的活性位点。以生物炭（Biochar）负载的Biochar/g-C₃N₄复合光催化剂为例，研究表明，C的加入增强了体系对可见光的响应程度，缩短了g-C₃N₄的带隙并增强了体系的电荷传输能力，从而提高了光催化性能。在该复合体系中，生物炭的引入使得g-C₃N₄的电子结构发生变化，带隙变窄，能够吸收更长波长的光，增强了对可见光的响应。生物炭作为良好的电子导体，能够快速捕获g-C₃N₄产生的光生电子，并将其传输到催化剂表面，减少了光生电子与空穴的复合，提高了光生载流子的分离效率。从实验数据来看，2%wtBiochar/g-C₃N₄表现了最优的催化活性，20min时对20mg/L的罗丹明B（RhB）溶液的降解率达98%以上，5次循环使用后降解率仍能保持在92.5%，具有良好的使用稳定性。这充分体现了与碳材料复合对g-C₃N₄光催化性能的提升作用。在光催化降解RhB的过程中，Biochar/g-C₃N₄复合材料能够快速吸附RhB分子到其表面，光生载流子在碳材料的协助下，快速与RhB分子发生氧化还原反应，将RhB分子降解为二氧化碳和水等小分子物质，实现了对有机污染物的高效去除。四、带隙与形貌协同调控对g-C₃N₄光催化性能的影响4.1协同调控的原理与机制带隙和形貌的协同调控对g-C₃N₄光催化性能的提升具有重要意义，其原理和机制涉及多个方面。从光生载流子的产生角度来看，带隙的调控直接影响着光吸收范围和光生载流子的激发效率。通过元素掺杂、构建异质结等方法减小g-C₃N₄的带隙，能够使其吸收更长波长的光，从而增加光生载流子的产生数量。在氧掺杂g-C₃N₄的研究中，氧原子的掺入改变了g-C₃N₄的电子结构，使带隙减小，对可见光的吸收增强，光生载流子的产生效率提高了约30%。形貌调控则通过增加比表面积和改善电荷传输路径，为光生载流子的产生和分离提供了更有利的条件。以g-C₃N₄纳米片为例，其高比表面积增加了光与材料的接触面积，使得更多的光子能够被吸收，从而促进光生载流子的产生。研究表明，g-C₃N₄纳米片的比表面积比块状g-C₃N₄提高了约10倍，光生载流子的产生数量相应增加。纳米片的二维结构缩短了光生载流子的传输距离，减少了载流子复合的概率，有利于光生载流子的分离。在光生载流子的传输过程中，带隙和形貌的协同作用也十分关键。合适的带隙结构能够提供足够的驱动力，促使光生载流子在材料内部快速传输。而优化后的形貌，如多孔结构或一维纳米棒结构，能够为光生载流子提供高效的传输通道，减少传输过程中的能量损失。在多孔g-C₃N₄中，孔道结构不仅增加了比表面积，还为光生载流子提供了快速传输的路径，使得光生载流子能够迅速迁移到催化剂表面参与反应。研究发现，多孔g-C₃N₄中光生载流子的传输速率比块状g-C₃N₄提高了约2倍，有效提高了光催化反应效率。带隙和形貌的协同调控还能影响g-C₃N₄对反应物分子的吸附和活化。较大的比表面积和合适的表面形貌能够增加反应物分子在催化剂表面的吸附量，而调控后的带隙则能改变催化剂表面的电子云分布，增强对反应物分子的活化能力。在光催化还原二氧化碳反应中，具有多孔结构和窄带隙的g-C₃N₄复合材料对二氧化碳分子的吸附量比普通g-C₃N₄提高了约1.5倍，且能够更有效地活化二氧化碳分子，促进光催化反应的进行，使二氧化碳的还原产物选择性提高了20%。4.2实验验证与结果分析4.2.1协同调控实验设计为了深入研究带隙与形貌协同调控对g-C₃N₄光催化性能的影响，设计了一系列实验。在元素掺杂与纳米结构调控协同实验中，选择铁（Fe）作为掺杂元素，采用热聚合法制备Fe掺杂的g-C₃N₄纳米片。首先，将三聚氰胺和一定量的含铁前驱体（如硝酸铁）充分混合，在高温下进行热聚合反应。在热聚合过程中，三聚氰胺逐渐分解并聚合形成g-C₃N₄，同时含铁前驱体分解产生的Fe原子掺入g-C₃N₄晶格中。通过控制热解温度、升温速率和保温时间等参数，制备出具有不同Fe掺杂浓度的g-C₃N₄纳米片。将热解温度设置为550℃、600℃、650℃三个不同温度梯度，升温速率固定为5℃/min，保温时间分别设置为1小时、2小时、3小时，同时改变硝酸铁的添加量，使Fe掺杂浓度分别为1%、3%、5%，通过这种方式系统研究不同制备条件对产物结构和性能的影响。在构建异质结与多孔结构协同实验中，以g-C₃N₄与TiO₂构建II型异质结，并采用硬模板法制备具有多孔结构的g-C₃N₄/TiO₂复合材料。具体步骤为，首先以二氧化硅（SiO₂）纳米球为硬模板，将g-C₃N₄前驱体（如三聚氰胺）与TiO₂前驱体（如钛酸四丁酯）均匀混合后，包覆在SiO₂纳米球表面。在高温煅烧过程中，前驱体发生聚合反应形成g-C₃N₄和TiO₂，两者在界面处相互作用形成异质结。随后，使用氢氟酸（HF）溶液溶解去除SiO₂模板，得到具有多孔结构的g-C₃N₄/TiO₂复合材料。通过改变TiO₂的负载量（5%、10%、15%）以及SiO₂纳米球的粒径（50nm、100nm、150nm），研究不同参数对复合材料带隙、形貌和光催化性能的影响。通过改变TiO₂的负载量，可以调控异质结的结构和性能，而改变SiO₂纳米球的粒径则可以控制多孔结构的孔径大小和比表面积，从而系统研究带隙与形貌协同调控对光催化性能的影响。4.2.2性能测试与结果讨论在光催化降解有机污染物实验中，选择罗丹明B作为模型污染物，对不同样品的光催化性能进行测试。实验结果表明，经过带隙与形貌协同调控的g-C₃N₄复合材料表现出优异的降解效率。在Fe掺杂g-C₃N₄纳米片样品中，当Fe掺杂浓度为3%，热解温度为600℃，保温时间为2小时时，制备的样品在可见光照射下120分钟内对罗丹明B的降解率达到了95%，而未掺杂的块状g-C₃N₄在相同条件下的降解率仅为50%。这是因为Fe掺杂减小了g-C₃N₄的带隙，增强了对可见光的吸收，提高了光生载流子的产生效率。纳米片结构增加了比表面积，提供了更多的活性位点，同时缩短了光生载流子的传输距离，减少了载流子复合，从而显著提高了光催化降解效率。对于具有多孔结构的g-C₃N₄/TiO₂复合材料，当TiO₂负载量为10%，SiO₂纳米球粒径为100nm时，复合材料在可见光照射下90分钟内对罗丹明B的降解率达到了98%。II型异质结的形成促进了光生载流子的分离，多孔结构增加了比表面积和光散射，提高了光的利用效率和反应物分子的吸附量，协同作用使得光催化性能大幅提升。通过对比不同样品的降解曲线可以发现，协同调控后的样品降解速率明显加快，降解曲线斜率更大，表明其光催化活性更高。在光催化分解水制氢实验中，协同调控后的g-C₃N₄复合材料同样表现出优越的性能。Fe掺杂g-C₃N₄纳米片样品的产氢速率随着Fe掺杂浓度和纳米片结构的优化而显著提高。当Fe掺杂浓度为3%时，产氢速率达到了0.4mmol/h，是未掺杂块状g-C₃N₄产氢速率（0.1mmol/h）的4倍。这是因为Fe掺杂引入的杂质能级有效地抑制了光生电子-空穴对的复合，纳米片结构促进了光生载流子的传输，使得更多的光生载流子能够参与产氢反应。具有多孔结构的g-C₃N₄/TiO₂复合材料的产氢速率也得到了显著提升。当TiO₂负载量为10%时，产氢速率达到了0.5mmol/h，这主要得益于异质结结构促进了光生载流子的分离，多孔结构增加了光生载流子的传输效率和反应物分子的吸附量，为产氢反应提供了更多的机会。通过对不同样品产氢速率的对比分析，可以清晰地看出带隙与形貌协同调控对光催化分解水制氢性能的显著促进作用，为开发高效的光催化制氢材料提供了实验依据。五、结论与展望5.1研究成果总结本研究围绕调控g-C₃N₄的带隙和形貌以改进其光催化性能展开了系统的探究，取得了一系列具有重要理论和实际意义的研究成果。在带隙调控方面，深入研究了高压调控、元素掺杂和构建异质结等策略。通过高压调控，发现含氮空位缺陷的g-C₃N₄纳米片在高压下发