【摘要】：氮化碳作為一種新型的無金屬元素類石墨型半導(dǎo)體材料,由于其獨特的分子/電子結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì),在小分子、太陽能-化學(xué)能轉(zhuǎn)化和光電生物傳感等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景,引起了人們廣泛的研究興趣。然而,與其他半導(dǎo)體材料類似,它們面臨的太陽光利用率低、光生電子-空穴復(fù)合以及表/界面電荷注入效率低等問題同樣制約著氮化碳的發(fā)展。本論文圍繞“自上而下”溶解氮化碳實現(xiàn)異相催化均相化、“自下而上”調(diào)控氮化碳分子結(jié)構(gòu)和氮化碳層層組裝構(gòu)建有序內(nèi)建電場開展,以期為氮化碳光/電敏感材料的分析傳感應(yīng)用提供實驗和理論基礎(chǔ)。主要研究內(nèi)容如下:1.“自上而下”溶解氮化碳,實現(xiàn)異相催化均相化,提高光催化活性:氮化碳作為一種類石墨半導(dǎo)體材料,由于分子間的范德華力和氫鍵使氮化碳幾乎不溶解于絕大多數(shù)溶劑,限制了氮化碳分子水平上的設(shè)計、修飾和潛在活性位點的數(shù)量,進而制約了對氮化碳合成過程的理論和潛在應(yīng)用研究�；诖�,我們探索了能夠溶解氮化碳的第二代環(huán)境友好型溶劑甲基磺酸。密度泛函理論計算表明甲磺酸溶解氮化碳的內(nèi)因是甲磺酸具有最低的吸附能。以制藥領(lǐng)域模型反應(yīng)3,3,5,5-四甲基聯(lián)苯胺脫氫和天青B脫甲基為例,氮化碳驅(qū)動的均相催化反應(yīng)比多相光催化反應(yīng)活性提高了近10倍;同時,氮化碳還可通過不良溶劑和良溶劑的可逆溶解、析出過程,實現(xiàn)催化劑的分離、回收和再利用。這項工作為氮化碳應(yīng)用到均相催化領(lǐng)域提供了第一個成功的例子,展現(xiàn)了氮化碳在均相催化領(lǐng)域的前景。2.“自下而上”合成多活性位點的氮化碳,提高光催化氧化四環(huán)素反應(yīng):與傳統(tǒng)熱縮聚法制備氮化碳至少需要數(shù)小時相比,通過微波加熱法可在1.5分鐘內(nèi)合成了低分子量、多活性位點的氮化碳。一方面,通過對溶解于乙醇相和不溶于乙醇相的氮化碳的結(jié)構(gòu)表征,從實驗和理論兩個方面證實了合成的未完全成環(huán)的氮化碳(M2)分子具有優(yōu)異的活化氧能力;另一方面,以四環(huán)素的光催化氧化為例,溶解的M2分子和不溶解的氮化碳協(xié)同促進了氮化碳光催化活性,其催化動力學(xué)常數(shù)比傳統(tǒng)的熱縮聚合成的氮化碳光催化活性提高了11倍。因此,該研究可為氮化碳的分子設(shè)計、合成、修飾提供實驗和理論指導(dǎo)意義。3.層層組裝制備氮化碳基光電極,提高光電活性:構(gòu)建同質(zhì)/異質(zhì)結(jié)形成內(nèi)建電場是改善半導(dǎo)體光催化劑光生電子-空穴的分離、傳輸?shù)囊环N重要方法。通過電泳沉積氮化碳納米片協(xié)同電化學(xué)沉積碘酸鉍制備了交替組裝的異質(zhì)結(jié)電極,采用異質(zhì)結(jié)理論詳細研究了不同組裝順序?qū)﹄姾煞蛛x和轉(zhuǎn)移的影響。光電化學(xué)研究揭示了相對于碘酸鉍和氮化碳薄膜電極,先組裝碘酸鉍再組裝氮化碳的光電活性分別提高了2倍和6倍。與文獻報道的氮化碳成膜方法相比,該方法具有成膜均勻、成分明確、組裝順序可調(diào)的優(yōu)勢。該工作將推動氮化碳基薄膜電極的光電活性提高研究。
【圖文】：

圖 1-1 自然光合成和人工光合成示意圖，植物通過光合作用將二氧化碳和水通過一系列的能量和滿足人類的需求。受此啟發(fā)，人工光合碳直接轉(zhuǎn)化成具有高附加值的化學(xué)燃料（替代不

程示意圖：(1) 光吸收；(2) 電荷分離；(3) 電子相復(fù)合；(6) 表面復(fù)合；(7) 還原反應(yīng)；(8) 氧化onda 和 Fujishima 首次報道二氧化鈦作為究和開發(fā)用于污染物降解，水分解產(chǎn)氧氣和
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TN304;O613.71

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本文編號：2587854