郑华荣 张金水 王心晨 付贤智

(福州大学光催化研究所,国家重点实验室培育基地,福州350002)

1 引言

自1989年Liu和Cohen1从理论上预测β相氮化碳(β-C3N4)具有与金刚石相当的硬度以来,科学家们围绕共价氮化碳化合物的理论计算、合成、表征及其应用开展了大量的研究工作.例如,1996年Teter和Hemley2利用第一性原理计算,发现共价氮化碳固体可能具有5种晶相结构,即α相、β相、立方相、准立方相和石墨相.除石墨相氮化碳(g-C3N4)外,其它四种结构氮化碳都是超硬材料,具有良好的化学惰性,其稳定性高于金刚石,能够弥补金刚石材料热稳定性差的不足.但在常温常压下,g-C3N4是上述氮化碳同素异形体中最稳定的相.3如图1所示,元素C和N通过sp2杂化组成七嗪环(C6N7)结构单元,环与环之间通过末端的N原子相连,形成无限拓展的π共轭平面,这些π共轭平面通过类石墨堆积方式,形成g-C3N4.4这种特殊的化学结构赋予g-C3N4优良耐磨性、化学稳定性和热稳定性,在高性能的耐磨涂层、膜材料、催化剂及催化剂载体等领域具有广阔的应用前景.5-7

2009年,Wang等8,9利用态密度泛函理论(DFT)和电化学方法,研究了氮化碳的能带结构,发现g-C3N4具有典型的半导体能带结构,sp2杂化的N 2p轨道构成g-C3N4的最高占据分子轨道(HOMO),而C 2p杂化轨道则组成其最低未占据分子轨道(LUMO),带隙约为2.7 eV.更为重要的是,它具有合适的能带位置,其中价带(即HOMO)位于1.4 V(vsNHE) pH=7,导带(即LUMO)位于-1.3 V,分别高于水的氧化还原电极电位(图1),从理论上讲,可以作为光催化分解水催化剂.这得到实验研究的进一步……