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目前全世界的能源结构，化石燃料依旧占据主导地位。但是由此引发的能源短缺以及环境污染问题也越来越严重，因此，寻求一种较为清洁、高效、可再生的新能源显得尤为重要。半导体光催化分解水制氢技术被誉为是一种最有前景和最有效地解决能源短缺问题的途径。石墨相氮化碳（g-C3N4）由于其无毒、合适的带隙和优异的稳定性而受到广大光催化研究者的青睐。但是，单体g-C3N4存在比表面积小以及光生载流子极易复合等缺点，导致其光催化分解水制氢性能较低，可见光利用率低，从而限制其工业化应用。为此，本文以g-C3N4为研究对象，通过元素掺杂以及形貌控制等手段对其进行改性，进而提高光催化分解水制氢性能。着重研究了过渡金属元素掺杂改性g-C3N4纳米片，非金属元素共掺杂改性g-C3N4纳米片，以及控制形貌合成g-C3N4纳米管并负载Au纳米颗粒和CoO颗粒来构筑三相复合型光催化剂来提升g-C3N4活性，通过对光催化分解水制氢性能的评估，研究光催化剂的可见光催化性能，并探讨其活性提升的机理。具体研究内容及结论如下：
（1）过渡金属原子（Fe、Co、Ni）引入，可以获得比单体g-C3N4更薄的Fe/g-C3N4，Co/g-C3N4，Ni/g-C3N4纳米片。以尿素为前驱体，过渡金属硝酸盐为过渡金属离子源。经水相混合均匀，然后去除水分，经充分研磨后，在550℃下热缩聚得到过渡金属元素掺杂的Fe/g-C3N4，Co/g-C3N4，Ni/g-C3N4光催化剂，并考察了金属含量对其光催化性能的影响。结果表明，过渡金属元素的引入，使得光催化材料对可见光吸收增强，尤其是Co掺杂之后使得催化剂在500~600nm处有额外吸收。且过渡金属离子掺杂得到的催化剂对氢的吸收脱附有很大的影响，这都有利于光催化活性的增强。其中Co/g-C3N4系列样品中，Co含量最佳（0.03g）具有最佳的光催化性能。其光催化释放氢气速率可达12400μmol g-1h-1，且具有良好的稳定性。
（2）非金属元素P、S、O共掺杂改性g-C3N4纳米片的制备，将可溶性的P源、S源在水中与三聚氰胺均匀混合，经蒸干水分将得到的白色粉末。以空气中的O2作为O源，在550℃下通过热缩聚得到P、S、O三元素共掺杂的g-C3N4纳米片光催化剂。分别考察了单元素掺杂、双元素掺杂对其结构形貌和光催化性能的影响。结合AFM、TEM和BET结果与分析可知，三元素共掺杂得到的光催化剂拥有更薄的纳米尺寸以及更大的比表面积。这为光催化分解水产氢反应，提供了更多的活性位点和更低光生载流子复合率。单体、单元素掺杂、双元素掺杂以及三元素掺杂的g-C3N4释放氢气速率依次为467.3μmol g-1h-1，586μmol g-1h-1（CNP），1158μmol g-1h?-1（CNS），1487.7μmol g-1h-1（CNPS），2479μmol g-1h-1（CNPSO）。明显三元素共掺杂的g-C3N4纳米片的光催化分解水制氢活性要优于单体和单（双）元素共掺杂的g-C3N4。
（3）通过控制三聚氰胺与尿素的质量比，经一步煅烧法可以得到一维多孔的g-C3N4纳米管。采用原位生长法在多孔的g-C3N4纳米管上生长CoO纳米颗粒。然后在通过光照还原法在CoO/g-C3N4管上沉积Au纳米颗粒，从而获得三相复合型光催化剂CoO/g-C3N4/Au。实验结果显示，三相复合型光催化具有高效的光催化分解水制氢活性，最优的CoO/g-C3N4/Au（1492μmol g-1h-1）释放氢气速率约为单体g-C3N4纳米管的5.7倍多。由于异质结构的存在，明显加快了界面处电荷转移速率，从而加强了光催化产氢活性。光电性能测试结果表明，复合材料的电子传输速率更快，光生载流子复合率更低，从而更好地提升了光催化性能。
（1）过渡金属原子（Fe、Co、Ni）引入，可以获得比单体g-C3N4更薄的Fe/g-C3N4，Co/g-C3N4，Ni/g-C3N4纳米片。以尿素为前驱体，过渡金属硝酸盐为过渡金属离子源。经水相混合均匀，然后去除水分，经充分研磨后，在550℃下热缩聚得到过渡金属元素掺杂的Fe/g-C3N4，Co/g-C3N4，Ni/g-C3N4光催化剂，并考察了金属含量对其光催化性能的影响。结果表明，过渡金属元素的引入，使得光催化材料对可见光吸收增强，尤其是Co掺杂之后使得催化剂在500~600nm处有额外吸收。且过渡金属离子掺杂得到的催化剂对氢的吸收脱附有很大的影响，这都有利于光催化活性的增强。其中Co/g-C3N4系列样品中，Co含量最佳（0.03g）具有最佳的光催化性能。其光催化释放氢气速率可达12400μmol g-1h-1，且具有良好的稳定性。
（2）非金属元素P、S、O共掺杂改性g-C3N4纳米片的制备，将可溶性的P源、S源在水中与三聚氰胺均匀混合，经蒸干水分将得到的白色粉末。以空气中的O2作为O源，在550℃下通过热缩聚得到P、S、O三元素共掺杂的g-C3N4纳米片光催化剂。分别考察了单元素掺杂、双元素掺杂对其结构形貌和光催化性能的影响。结合AFM、TEM和BET结果与分析可知，三元素共掺杂得到的光催化剂拥有更薄的纳米尺寸以及更大的比表面积。这为光催化分解水产氢反应，提供了更多的活性位点和更低光生载流子复合率。单体、单元素掺杂、双元素掺杂以及三元素掺杂的g-C3N4释放氢气速率依次为467.3μmol g-1h-1，586μmol g-1h-1（CNP），1158μmol g-1h?-1（CNS），1487.7μmol g-1h-1（CNPS），2479μmol g-1h-1（CNPSO）。明显三元素共掺杂的g-C3N4纳米片的光催化分解水制氢活性要优于单体和单（双）元素共掺杂的g-C3N4。
（3）通过控制三聚氰胺与尿素的质量比，经一步煅烧法可以得到一维多孔的g-C3N4纳米管。采用原位生长法在多孔的g-C3N4纳米管上生长CoO纳米颗粒。然后在通过光照还原法在CoO/g-C3N4管上沉积Au纳米颗粒，从而获得三相复合型光催化剂CoO/g-C3N4/Au。实验结果显示，三相复合型光催化具有高效的光催化分解水制氢活性，最优的CoO/g-C3N4/Au（1492μmol g-1h-1）释放氢气速率约为单体g-C3N4纳米管的5.7倍多。由于异质结构的存在，明显加快了界面处电荷转移速率，从而加强了光催化产氢活性。光电性能测试结果表明，复合材料的电子传输速率更快，光生载流子复合率更低，从而更好地提升了光催化性能。