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图1.3 g-C3N4同素异形体的的连接形式：(a) C3N3环(b) C6N7环
为三嗪和3-s -嗪，因为在这两种结构中氮孔的大小不同导致氮原子所处的电子环境不同，也因此这两种结构的稳定性也不同。通过密度泛函理论（DFT），Kroke[26]等人得出由3-s -嗪构成的g-C3N4更加的稳定。通过紫外可见光吸收光谱显示了其典型的半导体吸收特性。由于其光谱带宽约在420nm处，因此其为黄色。此外，由于缩聚程度的不同导致其吸收波长也不同，当缩聚温度升高时，g-C3N4的吸收边会向着长波偏移，从而其光谱带宽降低，有利于对太阳能的吸收利用，特别是可见光部分的利用。在550℃缩聚得到的g-C3N4其光谱带宽为2.7eV，并且在可见光区域有吸收。不仅如此，该值也远高于水的理论分解值1.23eV。通过DFT，Wang等人计算得到了g-C3N4的带隙结构，如图1.4[27]所示：
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图1.4 类石墨氮化碳的电子结构
从图中我们可以看出，导带（CB）下端电势低于H+/H2电对的电势，而其价带（CB）的上端电势要高于O2/H2O电对的电势，故其可以进行光解水的反应。图1.5为常见半导体光催化剂的能带位置
图1.5常见半导体化合物的能带示意图（pH=1）
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从图中可以看出大部分的半导体材料由于其过宽的禁带宽度使得其对太阳能的利用率很低。 1.4.2g-C3N4的制备方法
目前为止，在自然界中并没有发现天然存在的氮化碳晶体。直到1993年7月，美国哈佛大学的研究人员通过激光溅射技术人工合成了氮化碳薄膜，此后立即引起了全世界材料界的关注，世界各地的实验室开始尝试各种方法来合成这种具有低密度高硬度的非极性共价化合物。目前目前，纳米颗粒的光催化剂制备一般分为气相法和液相法。
（1）液相反应制备纳米颗粒。此方法以均相的溶液为出发点，通过各种化学反应，生成所需要的物质，然后溶质溶液分离，经过热解及干燥后，获得纳米的光催化剂颗粒。制备方法包括：沉淀法、水热法、溶剂热法、溶胶凝胶法、喷雾热解法和微乳液法等。
（2）气相化学沉积制备纳米光催化剂颗粒。通常将原料经过加热、激光、等离子体的作用，生成气体化学反应析出小颗粒的方法。常用的制备方法包括：气相化学沉积、热管炉加热化学气相反应和等离子体化学反应等方法。
1.5g-C3N4在光催化方面的应用
由于g-C3N4的禁带宽度为2.7eV，并且在可见光区域有吸收，且其最大吸收波长为λmax=590nm，在pH从0–14范围内的水溶液中具有高稳定性和无毒，易制备等特点。被作为新型的无机非金属光催化材料应用于催化反应中。包括：降解有机染料[15-16]，光解水制氢。 1.5.1 降解有机染料
2009年,Zou[15]等人在不同温度下采用两步加热法锻烧三聚氰胺合成了g-C3N4并且将其用来对甲基橙（MO）进行光降解实验。结果表明，在520℃煅烧所得的样品可使MO降解完全，具有最高的光催化活性。
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而其他温度下如500℃，550℃和580℃所得到的样品，只能降解89%,78%和69%的甲基橙（MO）。而当向其中添加5%的Ag作为助催化剂时，其光催化活性得到了较大的提高。 1.5.2光解水制氢
2009年，王心晨[15]等首次以石墨状结构的有机聚合物g-C3N4作为光解水的催化剂，在可见光下成功实现了分解水产氢和产氧的反应。由于g-C3N4的禁带宽度为2.7eV，导带（CB）下端电势低于H+/H2电对的电势，而其价带（CB）的上端电势要高于O2/H2O电对的电势，故其可以进行光解水的反应。当g-C3N4受到光能大于或等于禁带宽度的光照后，即受到波长小于480nm的光照射激发后，价带上电子激发跃迁至相应导带，在价带上留下空穴，形成电子-空穴对。光生电子和空穴发生有效分离，空穴转移至材料表面并与表面上的-OH基团发生反应生成具有强氧化性的羟基自由基，该自由基在一定程度上可将吸附在材料表面的几乎所有的有机物氧化分解为水或二氧化碳等无机物小分子。 1.6 影响g-C3N4光催化活性的因素
在半导体光催化体系中，光催化活性受到大大小小诸多因素的影响。主要的因素有光催化剂本身的性质、反应时溶液的pH值、活性氧、光源与光强、颗粒物质、有机物初始浓度、反应温度等。而本文只讨论其中催化剂本身的性质而不考虑催化剂的其他影响因素。 1.6.1 煅烧温度影响
不同的煅烧温度会得到不同缩聚度的样品，从而具有不同的光电特性，因此影响其光催化效应。Wang [28]等人分别将在673 K，723K，773K，823K，873K下煅烧得到的样品用于光解水反应制氢，实验表明，并不是缩聚度最好的样品即在873K温度下煅烧得到的样品光催化活性最好
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而是在823K温度下煅烧所得样品。这表明，内部存在的一些缺陷使光生电子和空穴在表面特定的位置与水分子发生反应。 1.6.2 比表面积的影响
一般来说，在晶体缺陷等条件一定时，比表面积越大活性越高。由于没有固定的活性中心，比表面积大吸附量大，从而使得活性提高。然而，对于催化剂，具有较大的比表面积的晶体通常晶化程度较低，存在更多的复合中心，使得活性降低。 1.6.3晶体缺陷
微量元素或晶体本身缺陷对光催化活性有很大的影响。微量元素或缺陷会成为电子或空穴的捕获中心，从而抑制光生电子与空穴的复合，因此增加了光生电子与空穴分别与表面吸附物的反应几率。然而，有的微量元素或缺陷同时也会成为电子空穴对的复合中心，从而阻碍了光生电子与空穴参与表面吸附物发生反应，从而降低了光催化活性。 1.7 g-C3N4的改性方法 1.7.1复合半导体
通过与另一种禁带宽度不同、能带位置不同的半导体材料复合，光生电子会迅速的注入能级较低的导带中，从而有利于光生电子与空穴的转移，拽了光生电子与空穴的复合，延长光生电子和空穴的存在时间，从而提高了其光催化活性。以Bi2WO6-g-C3N4为例，g-C3N4在可见光的照射下有光解水和降解有机物的能力，同样Bi2WO6也有吸收利用可见光的能力。g-C3N4复合到Bi2WO6表面后，这两种不同位置的光催化剂紧密的结合在一起，形成了异质结结构。聚合物g-C3N4的导带和价带电势为别为-1.13eV和+1.57eV，Bi2WO6导带和价带的电势分别为+0.24eV和+2.94eV。这使得在阳光照射下，g-C3N4激发的电子注入到Bi2WO6导带，同时Bi2WO6的空穴迁移到g-C3N4的价带。光激发的电子被Bi2WO6
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