半导体光催化通过直接利用太阳光来驱动一系列重要的化学反应，将太阳能转化为化学能，在解决能源短缺方面表现出巨大的潜力。聚合物半导体石墨相氮化碳(g-C3N4)，因其独特的晶体结构和能带结构、优异的化学稳定性、非金属组成等优点引起研究人员的强烈关注，被广泛用于光解水产氢产氧、光催化CO₂还原、光催化有机选择性合成、光催化降解有机污染物等研究领域。然而由于表面活性位点和光吸收不足以及电荷分离效率低，大大限制其性能的提高。近年来，许多研究者致力于g-C₃N₄材料的形貌设计以发展比表面积大、活性位点多、催化活性高、稳定性好的g-C₃N₄基材料，在上述光催化领域取得了一系列研究进展。
近日，我校材料科学与工程学院田娜博士、黄洪伟教授和张以河教授等，对类石墨烯氮化碳在纳米结构调控中涉及的制备方法及其应用领域、催化机理和存在的问题进行了全面详实的综述，并对其今后的发展方向和所面临的挑战进行了思考和展望。研究取得以下认识：
1、对具有各种维度尺寸的g-C₃N₄光催化剂（如零维量子点、一维纳米棒和纳米管、二维纳米片、三维纳米球和纳米花以及多孔结构的氮化碳（图1））的结构设计、制备方法和成形机理进行的详细阐述，且指出了光催化效率提高的关键因素。
2、广泛列举了不同形貌g-C₃N₄光催化材料在环境能源等应用领域中的活性，并强调了在相应的研究领域g-C₃N₄材料未来应解决的关键问题（图2）。
3、提出由二维超薄纳米片组成的三维g-C₃N₄，不仅具有高比表面积、高电荷分离速率和丰富的反应活性位点，而且结构不易发生坍塌和聚集。然而，三维g-C₃N₄制备过程中通常会用到模板，在后期去除模板时会用到危险试剂（HF、NH₄HF₂等），严重影响我们的生存环境和身体健康。所以，发展绿色高效的合成策略制备三维g-C₃N₄具有重要意义。
该综述还指出表面改性将会成为另一个有效提高g-C₃N₄光催化性能的策略。表面改性可以提升催化剂对反应物的吸附能力，加速光生电荷分离速率，并丰富催化剂表面的反应活性位点。该综述提到的g-C₃N₄表面羟基化改性不仅提高了局域电荷分离，还活化了水中质子，大幅增强了光催化产氢活性，也进一步深化了人们对光催化剂表面改性机理的认识。综上所述，我们认为开发基于形貌调控和表面改性策略提高g-C₃N₄光催化性能将会成为未来研究热点之一。

图1. 不同维度g-C₃N₄材料的示意图，如量子点、纳米棒、纳米管、、纳米片、纳米球、中控纳米球以及多孔结构。

图2. g-C₃N₄材料光催化产氢产氧、CO₂还原和光催化降解污染物的机理示意图。

上述研究成果发表在材料科学国际著名期刊 《Journal of Materials Chemistry A》上：Na Tian, Hongwei Huang*, Xin Du, Fan Dong, Yihe Zhang*. Rational nanostructure design of graphitic carbon nitride for photocatalytic applications. J. Mater. Chem. A, 2019, DOI: 10.1039/C9TA01819K. [ IF2017 = 9.931 ]
全文链接：https://doi.org/10.1039/C9TA01819K

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