21世纪以来,随着人们生活水平的快速提高,全球环境污染和能源短缺问题突出,严重威胁人类社会的可持续发展。半导体光催化技术具有经济、清洁、安全和可再生等优点,受到全球的广泛关注。许多常见的光催化剂由于其价格昂贵,光响应范围窄以及化学稳定性差等原因,导致其仍不能应用于实际生活中。石墨相氮化碳(CN)作为一种无金属光催化剂,因其廉价、制备简单、能带结构适宜和具有可见光响应等优点,迅速成为该领域的热门材料。然而,传统方法制备的CN表面积小,光生载流子分离率低,这大大限制了其工业化应用。因此,研究者们致力于构筑CN基异质结和CN纳米片光催化剂,从而提高其光催化性能。本学位论文的主要内容是CN基光催化剂的合成及性能调控,利用石墨烯量子点(GQDs)剥离、敏化CN,制备绿色环保CN基光催化剂,研究其在可见光下对有机染料的催化性能和机理。同时,本课题组通过调控CN表面电势和形貌,得到表面带正电的质子化氮化碳纳米片(P-CNNS),最终实现对硝基苯酚的高效光还原。相关工作如下:1.由于CN纳米片展现出优异的光催化特性,因此制备高活性的CN纳米片引起越来越多研究者的关注。传统的化学剥离法虽然提高了制备CN纳米片的产率,然而强酸或强碱会破坏CN的共轭结构,从而影响其光生载流子的转移能力。本课题组利用氮掺杂GQDs(N-GQDs)超声辅助剥离CN。N-GQDs能通过π-π作用插入CN层间,一步得到得到氮掺杂石墨烯量子点/氮化碳纳米片复合材料(N-GQDs/CNNS)。且N-GQDs和CN能带相互交错,两者界面间紧密接触形成n-n结,能有效地分离光生电子与空穴,因此N-GQDs/CNNS复合材料的光催化性能得到明显提高。实验通过测试不同N-GQDs负载量时N-GQDs/CNNS样品可见光下降解染料的速率,分析N-GQDs负载量对光催化性能的影响。其中,0.5 wt%N-GQDs/CNNS的性能最佳,其降解速率分别是单独CN、N-GQDs的2.4、336.7倍。且复合材料稳定性良好,四次循环后性能几乎没有降低。同时通过实验和理论计算推导了N-GQDs/CNNS的光催化机理。此外,通过活性物种捕获实验,确定N-GQDs/CN光催化过程中的主要活性物种为超氧自由基(·O2-)和羟基自由基(·OH)。2.N-GQDs和CN形成交错式能带结构,促进N-GQDs/CNNS光生载流子的分离,从而提升其光催化性能。旨在促进GQDs/CN基光催化剂的实际应用发展,本课题组利用杂原子掺杂首次合成具有强吸电子基团(P=O)的p型GQDs,且该GQDs水溶性强,尺寸、厚度均一。GQDs和CN之间的π-π相互作用以及氢键,与n型CN组装形成稳定的p-n结无金属光催化剂。研究发现,该p-n结型复合材料在有效提高可见光吸收的同时能促进光生载流子的分离,并表现出良好的光催化性能,其降解Rh B的性能较CN提升了6倍。这种新型光催化剂不依赖于半导体的导价带位置,促进了GQDs/CN基光催化剂的发展。3.对硝基苯酚(PNP)作为高毒性化合物,而其还原产物对氨基苯酚(PAP)是合成众多药物和化学品的重要中间体,因此将PNP光催化还原为PAP具有重要意义。CN导带位置较高于常见光催化剂。然而,其与对硝基苯酚阴离子的静电排斥作用导致还原效率极低。本课题组通过调控CN的形貌和表面电势,制备表面带正电的质子化CN纳米片(P-CNNS)材料,与对硝基苯酚阴离子紧密吸附,促进光生电子从催化剂转移至PNP。此外,实验通过比较P-CNNS和质子化CN的活性来验证光催化剂的形貌也对活性具有重要影响。P-CNNS光催化剂的还原速率是CN的1626倍,且具有良好的稳定性和普适性,可用于硝基芳族化合物的光还原。这项工作不仅扩大了CN的应用范围,而且凸显了依据光催化机理设计光催化剂的重要性。