改性石墨相氮化碳的制备及其可见光催化性能的研究(3)
1.1.2 半导体光催化影响因素
在光催化反应过程中，要实现光催化降解污染物的目的，不仅需要满足入射光波能量大于催化剂带隙能，还应当使催化剂产生的活性物质能够充分的得到运用。催化剂的比表面积、禁带宽度、光生电子空穴的复合几率是影响催化剂活性的主要因素。
1.1.2.1 比表面积
光催化反应过程中，活性物质主要与吸附在催化剂表面上的污染物质发生氧化还原反应。在反应体系中，催化剂的比表面越大，粒径就越小，这样就能更多的吸附反应体系中的污染物质，有助于反应速率的提高。此外，催化剂比表面积的增大有助于光在催化剂表面的多次漫反射，从而有利于提高入射光的利用率。
1.1.2.2 禁带宽度
半导体的禁带宽度Eg与其最大光吸收带边λg的关系可以用下面的关系式表示：
从关系式中可以看出，禁带宽度决定了催化剂的光吸收性能。禁带宽度与最大光吸收边成反比，催化剂的禁带宽度越窄，对应的最大光吸收边越大，有利于提高催化剂的光吸收范围。只有当入射光的能量大于催化剂的带隙能时，价带上的电子才能受到激发产生光生电子/空穴，才能实现光催化反应。
1.1.2.3 光生电子空穴的复合几率
光催化反应过程中，光照射半导体时产生的光生电子/空穴在迁移的过程，两者的分离与复合存在着相互竞争，分离的光生电子和空穴与对应的电子给体和受体发生反应才是光催化反应主要的目的。因此光生电子/空穴的复合几率是影响催化剂光催化活性的重要因素，更高的分离效率有助于光催化活性的增长。
1.2 石墨相氮化碳材料
1989年，Liu和Cohen[19]从理论上提出β-C3N4共价晶体后，碳氮化合物的高耐磨、高硬度等方面的优良特性得到了众多科学家的关注。根据Teter和Hemley[20]于1996年采用共轭梯度法对C3N4的重新计算结果，通常认为C3N4可能包括5种同素异形体，即α相、β相、c相（立方相）、p相（准立方）和g相（石墨相）。前四种结构属于超硬材料，而石墨相氮化碳（g-C3N4）为软质相，在常温常压下最为稳定。g-C3N4化学稳定性和热稳定性强，具有优良的耐磨性，有可能在各种材料科学应用中代替无定型碳和石墨碳材料，可应用于合成高性能的耐磨涂层、催化剂、催化剂载体、合成金属碳化物或氮化物的氮源、膜材料或者储气库等。
1.2.1 石墨相氮化碳的结构特征
石墨相氮化碳具有类似石墨的层状结构，在g-C3N4结构中，N原子以sp2或sp3杂化的形式存在，C原子属sp2杂化，C、N原子相间排列，以δ键连接形成吹冰边形结构。层间由C6N7环或C3N3环构成，末端的N原子是连接环与环的枢纽，可扩展成平面结构[21-23]。g-C3N4有两种结构单元：三嗪和七嗪环，Kroke及其团队[24]通过密度泛函理论（DFT）计算得出，七嗪环结构稳定性更佳（30 kJ•mol-1）。在实际应用中，由于g-C3N4的原料和制备方法不同，g-C3N4的结构也有所变化。
1.2.2 石墨相氮化碳的性质
石墨相氮化碳具有优良的化学稳定性和热稳定性。因g-C3N4具有类似石墨的层状结构，分子层间存在范德华力，层与层之间紧密地堆叠在一起，具有优良的化学稳定性。仅溶于熔融的强碱，易受高温浓硫酸腐蚀。据了解，在600℃的空气氛围中，g-C3N4仍十分稳定[25]，在真空条件下，温度超过450℃时，g-C3N4才开始分解。需要注意的是，不同方法制备出的g-C3N4分解温度也会有所不同。
石墨相氮化碳的光吸收光谱显示其光吸收边~460nm，能吸收利用紫外-可见光，对应带隙值约为2.7eV，大于水的分解电压，能够在紫外光或可见光条件下作为催化产氢或产氧的非金属光催化剂。此外，g-C3N4还具有化学稳定性（在pH=0~14的水溶液中均能稳定存在）、无毒、制备方法简单、来源丰富等性质。这使得g-C3N4作为一种新材料，在污水治理和水解产氢等方面具有很好的应用前景。