【石墨相氮化碳的结构与性质概述1300字】

石墨相氮化碳的结构与性质概述与石墨的结构相似，g-C3N4中的碳原子与氮原子采用sp2杂化，其中氮原子朝外生成单层C3N4，在范德华力的作用下，每一层互相结合，从而生成具有二维重叠结构的g-C3N4。按照周期性顺序进行排列，g-C3N4的结构能够分类为三嗪与三-s-三嗪。Kroke等学者[8]将这两种结构的g-C3N4采用密度泛函理论进行计算，从而发现以三嗪结构与三-ｓ-三嗪结构而构成的g-C3N4在热力学能方面，后者比前者大3KJ/mol。另外，近些年，很多文献[9-12]里面都提出是采用三-s-三嗪结构的结合构成g-C3N4的。因此能够了解到，采用这一种结构结合而获得的g-C3N4具有更强的稳定性。图1-2(a)S-三嗪结构(b)3-s-三嗪结构[13]Fig.1-2(a)S-triazinestructure(b)Structureof3-s-triazine[13]通过进行表征可知g-C3N4的能带光谱结构，例如紫外吸收光谱和荧光光谱，经过分析，其拥有有机半导体光谱的特点，并且具备较强的吸收可见光的能力，同时其吸收太阳光的能力一般处于420nm左右。根据紫外吸收光谱进行测量计算与光谱分析，能够获得g-C3N4禁辐射带具有2.7eV左右的光谱宽度，使得该材料的颜色转变为淡黄色。Wang等学者们[14]根据DFT理论研究出g-C3N4带隙结构，与O2／H2O电势相比，HOMO的电势更大，并且主要是氮原子经过pz轨道所形成，其价带为1.4eV左右；与H+／H2的电势相比，LUMO的电势更小，并且主要是碳原子通过pz轨道所形成，其导带为-1.3eV左右，其价带与导带的条件符合在可见光条件下制氢、释氧等高电位的要求。刘景海等学者们[15]在2012年将三乙醇胺用于制备电化学牺牲物的重要辅助材料，基于该状况下，通过可见光对其直接照射，能够使其制氢、释氧的活性增大4倍。g-C3N4是常用作光催化剂的一种材料，往往要在光照条件下来分解水，所以，它的化学性质往往要具备以下几点：（1）导带底面的电势要大于零；（2）其带隙能量要小于入射光的粒子能量；（3）价带的顶部电势要大于1.23eV。图1-2为g-C3N4的结构与能带位置图。图1-3g-C3N4能带结构[19]Fig.1-3Bandstructureofg-C3N4[16]通过图能够了解到，g-C3N4的能带位置处于1.5eV与-1.2eV上。因此能够知道，在光照条件下，g-C3N4可以进行水分解反应，它的能带结构符合水分解的条件。可见光在环境条件以及自然界中，其波长处于400-760nm之间，按照波长与带隙的公式：Bandgap(eV)=1240/λ(nm)能够了解到，可吸收可见光的带隙宽度的最小值需要高于1.23eV，最高值需要低于3.2eV才可以满足相应的要求。1.23eV在这一体系中是理论值，另外，还应该结合载流子进行转移时所产生的各种消耗，例如动能耗、热能耗等，所以，最小值通常会高于1.8eV[17]。基于上述的研究能够了解到，g-C3N4一方面可以在自然光中将可见光进行吸收从而分解，另一方面还可以在光照条件下进行水分解，它的能带结构都能够符合以上的条件。从图中能够看出，TiO2是比较传统的一种光催化材料，其能带处于0.5eV-2.7eV，并且其结构能够符合在可见光照射下进行催化反应的要求。与TiO2的导带位置，g-C3N4更负，所以在进行分解水的反应的时候，可以更容易、有效的还原H。所以，以上研究能够让g-C3N4变成拥有较高研究价值的一种通用光催化性材料。在常态下与所有碳氮化合物进行对比，g-C3N4的性质最稳定。在所有有机材料中，g-C3N4的热稳定性是最好的，其在一定高温下非常稳定，在一个标准大气压下，当温度到达625℃左右时g-C3N4开始进行分解，到675℃左右完全分解。g-C3N4具有堆叠的层状结构，从而使其结构之间的范德华力大大增强，因此，g-C3N4在大部分类石墨的有机溶剂中不可溶，同时也不能溶于一些常见的溶剂，例如水、乙醇、甲醇、丙酮等[