文 献 综 述
（一）研究背景
g－C3N4，即石墨相氮化碳，是五种氮化碳结构中最稳定的一种。目前，g－C3N4由于具有合适的带隙宽度，化学性质稳定、热稳定性强、可见光利用率高、制备简易和原料丰富且无毒等特点，在太阳能转化、光分解水制氢、光合成、电催化、生物成像和生物医药等方面具备潜在的应用价值[1]。而近年来，有关g－C3N4的制备方法、功能性质以及在不同领域的应用也引起国内外科研工作者的广泛关注，氮化碳材料的研究也真正地进入了一个新的历史时期。2006 年，g－C3N4作为有机半导体在材料科学和催化领域作为非金属催化剂的应用被发现，激励着研究者对其在新型领域的应用做大量的工作[2, 3]。g－C3N4及其修饰物在多相催化和绿色化学等领域的应用探索至今一直处于研究前沿， 如福州大学的王心晨教授研究组同德国马普胶体与界面研究所联合开展了很多g－C3N4在能源和光催化方面的基础与应用研究[4, 5]；浙江大学王勇课题组进行了大量g－C3N4在选择性氧化和加氢领域的应用探索[6, 7]。
研究表明，体相g-C3N4的比表面积较小以及光生电子－空穴对复合率较高方面的缺陷严重地制约了其光学和电学性能，这在一定程度上限制了其实际应用。而在研究石墨烯的时候人们发现，二维原子晶体石墨烯具有不同于体相石墨的独特结构和物化性质，而g-C3N4具有类石墨的层状堆叠结构，碳-氮片层间存在弱的范德华力，因此人们考虑能否通过剥离的方式制备氮化碳纳米片层。中国科学与技术大学谢毅院士课题组首次提出了水相中超声液相剥离制备二维g－C3N4纳米片材料的方法[8]。
而在此之后，对氮化碳制备方法的研究越发广泛，目前常用的氮化碳制备方法可分为物理法和化学法两大类，其中，热聚合法是通过热诱导使前驱物缩聚来制备g-C3N4，是近年来g-C3N4最常用的制备方法[9]；溶剂热法是指在密闭容器中，以溶剂作为反应介质，在高温和高压下制备出氮化碳的一种非均匀相合成方法，其具有反应条件温和、过程易于控制和体系均匀性好、流动性佳等优点[10]；电化学沉积技术是指金属或合金或金属化合物在电场作用下从其化合物水溶液、非水溶液或熔盐中在电极表面沉积出来的过程，通常伴随有电子得失，该法设备简单、控制容易, 而且还能有效降低C―N成键反应能垒和降低反应体系温度，是近年来g-C3N4制备的主要手段[11]。
而基于化学传感器需具有很高的灵敏度和较好的选择性的要求，氮化碳在传感器方面的应用主要是电化学传感器和荧光化学传感器。荧光化学传感器 (Fluorescence chemical sensor)是建立在光谱化学和光学波导与测量技术基础上,选择性地将分析对象的化学信息连续转变为分析仪器易测量的荧光信号的分析测量装置。经过多年的发展, 光导纤维端部修饰化学识别敏感层(即传感层)形成的荧光化学传感器的研制取得了实质性的进展 ,已成为各种分子 、离子的重要检测手段。作为一种灵敏度高 、选择性好、检出限低的微量分析技术,荧光化学传感器可以对单(多)种对象进行实时、在线检测 ,克服了传统环境分析与监测手段步骤繁琐冗长、耗费大量试剂、不能实时在线分析的缺点。
而电化学传感器是利用被检测物浓度变化造成电流发生改变，通过对一系列不同浓度被检测物的测试记录对应电流大小，得到浓度与电流的线性关系图，和计算被检测物浓度方程。电化学传感具有操作便捷、灵敏度高、测试过程迅速等优点。大量研究发现，氮掺杂碳材料在电化学分析领域有着很好的电化学催化活性，但是 g-C3N4在电化学传感器领域的应用研究才刚刚起步。Zhang等[12]利用类石墨氮化物掺杂氧化石墨烯同时测定了抗坏血酸、多巴胺和尿素; 唐跃等[13]利用类石墨氮化碳检测了重金属 Cd(Ⅱ)离子；而长春应化所孙旭平研究员课题组首次证实二维结构的 g-C3N4 纳米片可以作为电极修饰材料应用到电化学传感器领域[14]。他们将 g-C3N4纳米片分散液直接修饰到玻碳电极上制备了新型无酶H2O2传感器，该传感器对 H2O2 还原具有一定的电催化效果，对H2O2的检测限可达 2.0mu;M。由此可见，导电聚合物作为研究深入、使用广泛的功能材料，因其良好的导电性、较大的比表面积和生物相容性，在电化学和生物传感器方面展示出良好的应用前景。
同时，g-C3N4在氧还原和氧产生反应中展现出了优异的电催化活性。相比普通氮掺杂碳材料，g-C3N4的高含氮掺杂率可以显著增强碳矩阵的供电子特性，提高客体分子与碳矩阵的相互作用，表现出更高更稳定的催化活性。但是，g-C3N4的三嗪环结构导致其导电性不佳成为氧还原过程中电子转移的主要瓶颈。澳大利亚的乔世璋教授[15]、S.M.Lyth 教授[16]和清华大学的石高全教授[17]课题组分别将有序介孔碳、碳黑和石墨烯以不同的方式引入到 g-C3N4中，与单一组分的 g-C3N4相比，所制备的复合物的催化活性得到显著提高。这主要归功于 g-C3N4导电性和比表面积的提升以及复合物良好的协同效应。另一方面，g-C3N4作为新型催化剂具有稳定、耐高温、合适的能带结构等优点，但由于其比表面积只有约 10m2/g，大大制约了其在催化领域的应用。众所周知，不同形貌特征的催化剂具有不同的比表面积和不同的催化活性中心，通过增大比表面积可使活性位点增多，催化效率提高。因此合成具有更大比表面积的介孔氮化碳（mpg-C3N4）是提高 g-C3N4催化活性的重要方法之一。
基于以上研究现状，本课题采取尝试改变氮化碳形貌并将氮化碳与石墨烯或导电聚合物复合以期提高 g-C3N4纳米片的导电性，增强掺杂氮的催化活性，并对某种特定物质进行检测。实验拟采用绿色高效的软化学方法制备电极，通过引入导电功能材料如导电聚合物的方式，构建导电聚合物/g-C3N4二元复合体系，深入研究二元复合材料的电化学性能，尤其是对特定的电活性分子的电催化响应性能。本项目的实施有望进一步深入认识 g-C3N4复合材料的电催化性能，拓展 g-C3N4材料在传感器领域的应用。
- 开题设备仪器条件
1．学术条件：本课题组成员在纳米材料制备和导电聚合物复合纳米材料的表征和应用方面有丰富的研究经验，尤其在使用复合材料作为电化学传感器和荧光传感器领域具有较强的研究基础，为本项目的顺利实施提供必要的学术条件。
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