随着现代工业的迅速发展，能源短缺和环境污染问题使人类的生存面临着日趋严重的挑战，在这样的时代背景下，寻找可以利用清洁能源而广泛应用于环境治理领域的功能材料是一个可行的思路。半导体光催化剂通过直接利用太阳能来催化一系列化学反应，用于光催化有机选择性合成、光催化降解有机污染物和光解水制氢制氧，在解决能源短缺和环境污染方面有着良好的潜力。

目前，已经开发出的光催化剂大体可以分为三类：金属氧化物、硫化物（如TiO₂、ZnO、CdS等）；贵金属半导体（如Bi₂MoO₆、BiOBr、Ag₃PO₄等）和非金属半导体（如g-C₃N₄、红磷等）。ZnO（3.3 eV）和TiO2（3.2eV）带隙较宽，仅能利用只占太阳能4％的紫外光。CdS（2.4 eV）带隙较窄，但稳定性较差。Bi₂MoO₆（2.9 eV）和BiOBr（2.8 eV）带隙适中，但含有贵金属元素，价格较高。g-C₃N₄是一种非金属半导体，由地球上含量较多的C、N元素组成，带隙约为2.7 eV，对可见光有一定的吸收，抗酸、碱、光的腐蚀，稳定性好、结构和性能易于调控，具有较好的光催化性能，因而成为光催化领域的研究热点。

例如，在Pt助催化剂和三乙醇胺、甲醇等牺牲剂的帮助下，g-C₃N₄可以光催化分解水产氢；AgNO₃-La₂O₃的反应体系中，g-C₃N₄可以光催化氧化水产生氧气；基于g-C₃N₄导带电子强还原能力和价带空穴弱氧化能力的特点，g-C₃N₄还可以活化分子氧产生超氧自由基（O₂^2-），实现醇→醛／酮，苯乙烯→环氧苯乙烷等光催化选择性合成；此外，利用光生空穴或O₂^2-的氧化能力还可实现水相中有机污染物的光催化降解。最近，Kiskan等将g-C₃N₄应用于聚丙烯酸甲酯的光催化合成，进一步拓展了g-C₃N₄的光催化应用研究领域。

但是g-C₃N₄也有一些缺点，一是对于光的响应波段较窄，g-C₃N₄的禁带宽度为2.6 eV，仅可以响应太阳光谱中波长小于475 nm的蓝紫光；二是电子-空穴对的复合率高，电子和空穴在迁移过程中容易在催化剂表面或体相重新复合。因此，改进g-C₃N₄光催化性能的思路有，一是通过与半导体复合来改变能带结构，提高对光的利用效率；二是避免电子-空穴对的复合，通过推迟载流子的复合或提高载流子的迁移速率；三是改变电子和空穴的传输路径。

Ma等指出，非金属掺杂不仅可以有效窄化g-C₃N₄的半导体能带结构，改善可见光吸收，而且还会加剧LUMO-HOMO平面的扭曲，促进光生载流子快速迁移并抑制其复合。此外，BiOCl具有特殊的层状结构和电子间接跃迁模式，将其与g-C₃N₄复合有利于光生电子空穴对的有效分离与转移。研究表明，相同条件下，BiOCl-C₃N₄-3 %复合材料光催化降解RhB的反应速率分别是BiOCl和C₃N₄的2.1倍和26.6倍。通过用盐酸对g-C₃N₄进行质子化预处理，获得的BiOBr/pg-C₃N₄复合材料在降解罗丹明B（RhB）时具有增强的光催化活性。质量比为7:3的BiOBr/pg-C3N4复合材料催化效果最佳，比pg-C₃N₄4和BiOBr分别高35.03和33.72倍。此外，BiOBr/pg-C₃N₄也相当稳定，其对RhB降解效率在七个连续循环后仅下降9.6％。这可能是由于质子化石墨相氮化碳（pg-C₃N₄）和BiOBr之间存在静电相互作用，使复合结构的界面结合紧密，这种紧密耦合有利于电荷在pg-C₃N₄和BiOBr之间转移，促进光生电子-空穴对的有效分离。

然而大量的研究表明普通热缩聚法制备的粉末状的g-C₃N₄量子效率低，比表面积相对较小；而BiOCl制备方法需要特殊的设备和试剂、高温和高压等特殊条件，合成结构可控、光谱以及组成成分可调的BiOCl光催化材料尚有难度。此外，BiOCl的禁带宽度为3.2 eV，只能吸收太阳光中极少的紫外光，这样就限制了BiOCl-g-C₃N₄复合体系的光催化效率。

本课题以石墨相氮化碳作为主体材料，BiOX（X=Cl, Br, I）作为客体材料，拟将两种材料复合形成一种类似pn结的能带结构（g-C₃N₄是n型半导体，BiOX是p型半导体），使得光生电子从g-C₃N₄转移到BiOX表面，空穴从BiOX转移到g-C₃N₄表面，有效避免电子-空穴对的复合，达到提高催化剂表面OH和O₂^2-等活性基团的产率，进而提高了材料的光催化活性的目的。

2.1 研究基本内容

采用热聚合法制备各种形貌的石墨相氮化碳催化剂，并与BiOX（X=Cl, Br, I）进行复合；采用各种结构表征方法对催化剂复合前后的结构进行表征，分析工艺参数对催化剂结构的影响规律，制备出结构良好的催化剂材料，并对其进行光催化降解罗丹明测试，分析其结构与性能相关性。主要研究内容如下：

(1)石墨相氮化碳复合材料的制备

采用热聚合法制备石墨相氮化碳材料，以BiOX（X=Cl, Br, I）为客体材料制备石墨相氮化碳复合材料，研究温度，湿度，时间等对产物结构的影响规律，获得最佳制备工艺，并探讨其复合机理；

(2)石墨相氮化碳复合材料的结构表征

采用一系列结构表征方法对产物的微观结构进行表征，如XRD进行物相分析，FE-SEM进行形貌表征，BET进行表面吸附分析，FT-IR进行键型分析。

(3)石墨相氮化碳复合材料光催化性能测试

分别测试复合材料复合前后对罗明丹的光催化效率，分析其结构与性能之间的关系。

2.2 研究目标

(1)基于价廉易得的初始原料（以尿素、硫脲、三聚氰胺为前驱体），采用简单易行的合成工艺（热聚合法）制备g-C₃N₄材料。

(2)通过与BiOX（X=CI, Br, I）复合提高光催化活性。

(3)研究不同的反应前驱体，不同的客体材料及合成方法对产物结构的影响，以及这些反应条件与产物的光催化活性的关系。

2.3 拟采用的技术方案及措施

2.3.1技术方案

本论文拟采用的技术方案如图所示。

热聚合法

XRD

FE-SEM

BET

FT-IR

(1)采用热聚合法制备石墨相氮化碳材料。以尿素为例，称取尿素50 g，置于马弗炉中，设定5 ℃/min升温至80 ℃，保温12 h；再以10 ℃/min升温至550 ℃，保温3h，随后降至室温取出。将产物称重、研磨，装入离心管备用。

(2)制备g-C3N4-BiOX复合材料。称取0.92g g-C₃N₄和0.238 g KBr溶于100 mL去离子水，超声20 min，得溶液A；称取0.97 g Bi(NO3)3·5H2O于100 mL冰醋酸溶液（其中冰醋酸10 mL），强力搅拌30min使其溶解，得溶液B。逐滴将B滴于A中，充分搅拌1 h，静置4 h；离心后水洗两次，醇洗两次，将得到的沉淀于烘箱60 ℃烘干。

(3)通过XRD、FE-SEM、BET、FT-IR等表征手段对复合材料的物相、形貌、微观结构及元素构成进行分析。

(4)测试g-C₃N₄和复合材料对罗明丹B的光催化性能。

3、进度安排

第1-3周：查阅相关文献资料，完成英文翻译。明确研究内容，了解研究所需原料、仪器和设备。确定技术方案，并完成开题报告。

第3-7周：按照设计方案，制备石墨相氮化碳复合材料。

第7-11周：采用XRD、FE-SEM、BET、FT-IR等测试技术对复合材料的物相、显微结构、光催化性能进行测试。

第12-14周：总结实验数据，完成并修改毕业论文。

第15周：论文答辩。