西安工程大学宗刚团队研究成果：氯硫共掺杂氮化碳的制备及其光催化性能
引言
本论文以西安工程大学宗刚教授团队研究成果以及国家自然科学基金资助，文章以三聚氰胺为前驱体，氯化铵为Cl源，硫脲为S源，采用直接热聚合法制备了Cl、S共掺杂石墨相氮化碳（g-C3N4），考察了氯硫掺杂对g-C3N4结构和光催化性能的影响。利用X射线衍射（XRD）、傅里叶红外光谱（FTIR）、扫描电镜（SEM）、X射线光电子能谱（XPS）、比表面积和孔径分布（BET）、紫外-可见光（UV-Vis）等手段对样品进行了表征和分析，研究了催化剂投加量、PH以及底物浓度对光催化降解碱性红18（BR18）的影响。结果表明，当氯化铵掺入量为0.4g，硫脲掺入量为1g时，ClSCN2 的光催化性能最优。催化剂投加量为 40 mg，pH=10，底物浓度为 5 mg/L 时，在120 min内对BR 18的降解率达到 92.6%。自由基捕获实验表明，光降解过程中主要的活性物质是·O2-和·OH。Cl 和S 两种杂原子的掺杂扩大了g-C3N4的比表面积，为光催化提供了更多的活性位点。同时 Cl和S 的掺杂代替了 g-C3N4 中的 N，使之产生 N 缺陷，提高了光生电子和空穴的分离。
文章发表于《功能材料》2025年第56卷第01期，欢迎引用本文：
景张欣，宗刚，高存，等. 氯硫共掺杂氮化碳的制备及其光催化性能[J].功能材料,2025,56(01): 01200-01208.
Jing Zhangxin, Gao Cun, Ren Jing,et al. Preparation of chloro-sulfur co-doped carbon nitride and its photocatalytic properties [J].Journal of Functional Materials, 2025,56(01): 01200-01208.
01 全文速览 印染废水是典型的工业废水，若未经处理直接排放会危害生态环境，损害人体健康。目前，物理吸附法、膜分离法、生物法和光催化法能够有效处理印染废水，其中光催化法是一种环境友好的绿色处理技术，仅利用太阳能就能将大分子污染物分解为CO2和H2O等小分子物质，成为降解废水中染料的重要方式。 石墨相氮化碳（g-C3N4）因其原料丰富和制备方法简单在光催化领域得到了广泛应用，但纯g-C3N4存在光生电子复合率高，结晶度低，可见光响应范围窄等缺点，需通过形貌调控、元素掺杂或构建异质结等方法进行改性来提升光催化性能。 本研究以三聚氰胺为前驱体，氯化铵为Cl源，硫脲为S源，采用直接热聚合法制备了Cl、S共掺杂石墨相氮化碳。考察了该催化剂光催化降解碱性红18（BR18）的性能，研究了催化剂投加量、底物初始浓度、PH对降解体系的影响以及催化剂的稳定性。通过自由基捕获实验确定光降解BR18过程中的主要活性物质并分析其光催化降解的机理。 02 图文展示 图1 光催化剂的XRD图 图2 光催化剂的FT-IR图 图3 光催化剂的SEM图：（a）CN电镜图；（b）ClSCN2电镜图；（c）ClSCN2元素分布图 图4 光催化剂的XPS图：（a）CN 和 ClSCN2 的总谱；（b）CN 和 ClSCN2 的 C 1s；（c）CN 和 ClSCN2 的 N 1s；（d）ClSCN2 的 S 2p；（e）ClSCN2 的 Cl 2p 图5 （a）光催化剂的氮气吸附脱附等温线；（b）光催化剂的孔径分布图 图6 （a）光催化剂的紫外-可见漫反射光谱图；（b）光催化剂的带隙图 图7 （a）不同样品对BR18的降解曲线 ;（b）线性拟合的降解动力学曲线 图8 投加量对光催化效果的影响 图9 染料初始浓度对光催化效果的影响 图10 PH对光催化效果的影响 图11 自由基捕获实验 图12 五次循环后对BR18的降解 图 13 ClSCN2 对 BR18 的降解机理示意图 03 结论 以三聚氰胺为前驱体，氯化胺为氯源，硫脲为硫源，采用直接热聚合法制备了CN及ClSCN催化剂，研究了其在可见光下对碱性红18的降解效果，得到以下结论： （1）当氯化铵的掺杂量为0.4g，硫脲的掺杂量为1g时，ClSCN2 的光催化性能最优，在120 min内对BR18的降解率达到 92.6%，分别是CN和ClCN2的2.3和1.5倍。 （2）通过探究 ClSCN2 光催化剂光降解 BR18 过程中催化剂投加量、pH 以及底物浓度对 BR18 降解过程中的影响，发现当催化剂投加量为 40 mg，底物浓度为 5 mg/L，pH=10 时，降解效果最佳。 （3）通过自由基捕获实验确定了∙O2-和∙OH 为降解过程中的主要活性物质，循环实验表明五次循环后 ClSCN2 的光降解率由 92.6%降至 80.5%，主要归因于传统离心分离法收集过程中催化剂的损失，所以其回收利用性和稳定性还有待提高。 （4）光催化活性的提高是由于Cl和S的共掺杂，抑制了g-C3N4的晶体生长，降低了其层间聚合度，扩大了 g-C3N4 的孔径和比表面积，为光催化反应提供更多的活性位点，同时降低了带隙能量，提高了光生电子和空穴的分离效率。