纤维素掺杂石墨相氮化碳复合光催化材料的制备及性能研究
1.绪论
1.1 光催化机理
光催化是基于半导体能带理论，通过催化剂将太阳能转化为化学能的绿色
氧化技术。近年来光催化技术广泛应用于净化空气，污水处理，太阳能转化利用等领域。目前主要的光催化剂主要是半导体光催化剂，半导体的能带是间断的。它的能带由低能价带和高能导带共同组成，其中低能价带布满电子，导带处于空置状态。它们中间的区域称为禁带，用禁带宽度衡量区域大小，当半导体价带上的电子受到光照，吸收光子能量等于或大于带隙宽度时，价带上的电子吸收了光子能量被激发跃迁到导带，生成带负电的活性电子（e-），在价带上留下带正电荷的空穴（h ），于是半导体催化剂就产生了“电子-空穴”对，即光生载流子。[1] 导带电子（e-）具有还原性，空穴（h ）具有氧化性，待降解物在光降解时直接被空穴氧化或是电子与空穴分别经过一系列氧化还原反应生成氧化活性更高的羟基自由基和超氧自由基参与光催化降解反应[2]。图示为光激发及电子和空穴几种反应方式示意图[3]。
图1-1.光催化反应机理
1.2 光催化研究状况
光催化技术的研究最早是由日本科学家开始的，日本科学家用紫外线照射二氧化钛电极，将水分解成氢气和氧气[4, 5]。在这一发现后，许多半导体光催化剂相继被研发，比如：TiO2、ZnO、SnO2、Co3O4、BiVO4、Cud、CdS等[6]。光催化反应包含三个过程：光吸收、“电子-空穴”对的产生与分离以及表面催化反应[7]。因此，为了提高催化效率就要改进以上三个过程。TiO2作为比较成熟的光催化剂，被认为是最有效和环境良好的光催化剂,并且已经被广泛应用于治理环境污染。在污水处理、杀菌、净化空气等方面潜力巨大，但是，TiO2的带隙宽度约为3.2eV，只有太阳光中的紫外光才能激发产生电子-空穴对[3]，作为光催化剂催化效果大打折扣，得不到广泛应用。为此，诸多光催化材料研究者进行了大量TiO2修饰改性工作如用贵金属Pd沉积[8]，以此来提高它的催化活性。除了TiO2以外，也有一些半导体材料如C-ZnO[9]、BiOX(X=Cl、Br、I)[10]、石墨相氮化碳（g-C3N4）等光催化材料被研制出来[1]。
近年来，光催化材料研究热点在于开发在可见光下有响应以及带隙宽度窄的光催化材料。其中g-C3N4以无毒无金属元素，稳定，容易制备且在可见光下有响应的优越性能引起了广泛关注[11]。
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