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石墨相氮化碳(g-C3N4)作为一种廉价易得的非金属光催化材料,具有含氮量高、物理化学性质稳定和可见光响应等优点,广泛应用于光解水制氢等反应并可以作为金属催化剂载体。然而传统热解法制备的g-C3N4通常为块体结构,比表面积低、光吸收能力差、载流子分离效率低,导致低的光催化性能和金属负载量,极大地限制了其实际应用。通过硬模板法可以制备纳米片或特殊形貌的g-C3N4,从而增加比表面积并显著改善光催化性能。但后续除模板过程复杂繁琐,增加制备成本,并且会用到含氟有毒物,引起环境污染。而软模板法和无模板法(包括自组装)的开发仍然十分具有挑战。本论文基于无模板热解法,通过调变金属前驱体、g-C3N4前驱体和热解温度制备了一系列高密度金属位点的Fe/g-C3N4催化剂和高结晶性g-C3N4纳米片,应用在光芬顿、光解水制氢和CO2还原反应表现出优异的性能。论文的主要内容如下:通过筛选合适的铁源(Fe-咪唑配合物)与三聚氰胺组成高兼容性前驱体,采用一步热解法合成了高金属负载量(18.2 wt%)的Fe/g-C3N4催化剂。铁物种以铁原子簇和单原子位点(USCAD)的形式分散在g-C3N4载体中,形成高密度的Fe-Nx活性中心。通过密度泛函理论计算(DFT)进一步证明USCAD Fe位点可以稳定在g-C3N4载体上,DFT计算和HAADF-STEM照片揭示了铁原子簇和铁单原子在g-C3N4层内和层间的分布规律,即铁原子簇只能在层间稳定,铁单原子可以在层间和单层内稳定。高密度的Fe位点与g-C3N4之间以化学键结合,加速了 g-C3N4中光生电子向Fe3+的转移,促进了Fe3+/Fe2+循环。催化剂应用在光芬顿反应中可以高效地移除各种模型有机污染物(亚甲基蓝、罗丹明B、甲基橙和苯酚),并且表现出良好的循环使用性,铁流失量仅为0.69 mg/L。采用廉价的商业化铁盐和三聚氰胺为前驱体并添加适量硫源,通过硫辅助热解法合成了具有蜂窝状结构的高密度(Fe负载量为17.7 wt%)USCAD Fe/g-C3N4催化剂。硫元素作为一种“牺牲载体”,通过与铁离子配位促进铁物种在前驱体混合物中的分散,热解过程中形成SO2原位造孔而且不残留在催化剂中,免除了后续的除模板过程。这种硫辅助热解法表现出非常好的普适性,改变硫源种类(硫脲、硫粉、硫氰酸铵)和铁盐种类都可以得到具有类蜂窝状孔道结构的USCADFe/g-C3N4催化剂。多孔蜂窝状结构使催化剂暴露更多的USCAD Fe活性位点,使反应物和活性位点更容易接触。蜂窝状结构可以促进光吸收,加速g-C3N4中光生电子向Fe3+的转移以及Fe3+/Fe2+循环的建立。应用在光芬顿反应中可以高效移除各种模型有机污染物。经过硫辅助热解法制备的催化剂(S-Fe-salt/CN)相比不添加硫源制备的催化剂(Fe-salt/CN)性能均大幅提升。通过预处理尿素前驱体,采用高温热解策略(600℃以上)合成了一系列高结晶性的g-C3N4纳米片(U400-X),煅烧温度最高可至690℃,纳米片的尺寸和层间距可以通过改变温度调控。控制煅烧温度为670℃,可以合成较大尺寸、较小层间距的g-C3N4纳米片(U400-670),该样品具有高度扩张的共轭π电子体系,带隙仅为2.45 eV,π→π*和n→π*跃迁容易发生,极大地促进了其可见光捕获能力和光生载流子的分离效率。应用于可见光催化水分解制氢,U400-X样品(U400-690样品除外)的产氢速率均达到4000 μmol/g/h以上,U400-670样品具有最佳的产氢性能,产氢速率达到12020 μmol/g/h。U400-670样品同时具有优异的光催化CO2还原性能,CO初始生成速率高达1414μmol/g/h,且选择性高,5小时CO总生成量达到4447μmol/g。