在环境严重污染和能源紧张的今天,如何有效治理环境、缓解能源危机,实现可持续发展已成为重要的研究课题。光催化材料与技术能够利用自然界取之不尽的太阳能,在温和条件下进行污染物降解和能量转化,为解决能源环境问题提供了新的途径。然而,传统的以Ti02为代表的紫外光响应光催化材料因对太阳光能量利用不足(<5%)使其发展受到了限制。因此,可见光响应光催化材料成为研究的热点。本文以类石墨氮化碳(g-C3N4)这种典型的可见光响应半导体为研究对象,针对传统固相法所制备g-C3N4比表面积低、光生载流子易复合等问题,利用无模板的浓酸剥离法,成功制备出尺寸均一的g-C3N4纳米颗粒,并以此为基础构筑了新型的无金属元素(metal-free)复合光催化材料,实现可见光响应和光生电子-空穴对有效分离,并赋予材料体系更强的氧化还原能力,从而提高复合材料的光催化活性。主要研究内容和结论如下:(1)基于g-C3N4质子化工艺,利用浓酸冷凝回流制备了 g-C3N4纳米颗粒,并考察了制备条件对g-C3N4纳米颗粒结构性能的影响。结果表明:浓酸是g-C3N4纳米颗粒制备的关键,可以使块状g-C3N4减薄,并进一步将其刻蚀成纳米颗粒;温度影响了酸对g-C3N4的刻蚀速率;而搅拌条件则影响了酸刻蚀的均匀性。块体g-C3N4纳米化可有效缩短光生载流子从体内迁移至表面的路径,从而抑制光生电子和空穴的复合。此外,纳米化使g-C3N4光吸收边带发生蓝移,导致g-C3N4光学带隙由2.75eV增大到3.40eV。这意味着g-C3N4纳米颗粒已丧失了可见光催化活性,只有紫外光才能激发出g-C3N4光催化性能。不过,光学带隙的增大在一定程度上也增强了 g-C3N4光生电子、空穴的氧化还原能力。(2)以氧化石墨烯(GO)为载体,利用g-C3N4纳米颗粒(CNNP)和GO表面所带相反电荷的静电组装作用,制备了 g-C3N4纳米颗粒负载于GO的复合光催化材料(CNNP/GO),并开展复合材料的结构-性能关系研究。结果表明:g-C3N4纳米颗粒通过与GO形成C-O-C共价键均匀牢固地负载于GO表面,从而有利于光生载流子在不同材料间的转移,进一步提高了光生电子、空穴的分离效率。此外,通过将g-C3N4纳米颗粒均匀负载于GO表面还有效避免了 g-C3N4纳米颗粒在应用过程中易出现的团聚现象,并为光催化反应提供更多的吸附和反应活性位点。最为重要的是,GO的引入使g-C3N4纳米颗粒的禁带宽度降低,CNNP/GO对可见光的吸收利用显著增强,表现出远高于CNNP的可见光催化活性。随着GO引入量的相对增加,CNNP/GO的光催化性能呈现出先增加后减少的趋势,其光降解亚甲基蓝的一级反应速率常数k最高可达0.343 h-1,为单一 CNNP反应速率的8.6倍。结合自由基捕获实验可知,CNNP/GO光催化反应过程中主要活性物质是光生电子经一系列反应生成的·O-·和·OH。(3)采用静电自组装技术制备了 g-C3N4纳米颗粒修饰g-C3N4块体材料的微纳复合光催化材料,并开展复合光催化材料的结构-性能关系研究。结果表明:随着g-C3N4纳米颗粒用量的增加,块体g-C3N4表面的g-C3N4纳米颗粒逐渐增多直至完全覆盖。在可见光激发条件下,g-C3N4纳米颗粒充当了块体g-C3N4的电子受体,导致复合材料的光生载流子复合几率降低,复合材料的量子效率明显优于单一的块体g-C3N4,使得复合材料光电流增强,并表现出优异的可见光催化性能,其光降解甲基橙的一级反应速率常数k最高可达1.02 h-1,为单一 g-C3N4的3倍。自由基捕获实验表明,光生电子在该光催化反应中占据主导地位,其生成的·O2-和.OH是光催化反应的主要活性物质。