一、引言
面对全球能源短缺与水 / 空气环境污染问题，光催化技术因可直接利用太阳能驱动化学反应，成为环境修复与清洁能源生产的关键技术。石墨相氮化碳（g‑C₃N₄）作为一种无金属、低成本、可见光响应的聚合物半导体，具有合适的禁带宽度（~2.7 eV）、良好的化学 / 热稳定性、制备简单、环境友好等突出优势，自 2009 年被应用于光催化制氢以来，迅速成为研究热点。
然而，纯 g‑C₃N₄存在比表面积小、光生载流子复合严重、可见光吸收范围有限、活性位点不足等固有缺陷，严重限制其催化效率。近年来，将压电效应与光催化耦合形成的压电光催化技术，利用机械振动产生的内建电场定向驱动电荷分离，为解决载流子复合难题提供了全新思路。本文系统综述 g‑C₃N₄的制备方法、改性策略、光催化与压电光催化的作用机制、典型应用及现存挑战，为高性能 g‑C₃N₄基催化材料的设计与工业化应用提供全面指导。
二、g‑C₃N₄的基本结构与光催化原理
g‑C₃N₄由 C、N 两种元素通过 sp² 杂化形成类石墨层状结构，基本单元为三嗪环或庚嗪环，层间以范德华力结合。其导带底约−1.1 eV，价带顶约 + 1.6 eV，可被可见光（λ<475 nm）激发产生电子‑空穴对。
光催化基本过程：
- 半导体吸收光子，电子从价带跃迁至导带，形成 e⁻‑h⁺对；
- 载流子迁移至催化剂表面；
- 电子与 O₂反应生成・O₂⁻，空穴与 H₂O/OH⁻生成・OH；
- 活性自由基氧化降解污染物或还原 H⁺/CO₂。
g‑C₃N₄的优势在于无金属、原料廉价（尿素、三聚氰胺等）、能带位置适合产氢与污染物降解，但体相载流子复合快、比表面积低是主要瓶颈。
三、g‑C₃N₄的主流制备方法
1. 热缩聚法（最常用、可规模化）
以三聚氰胺、尿素、双氰胺等为前驱体，在 500–600 ℃惰性气氛下高温聚合。优点：设备简单、成本低、适合工业生产；缺点：产物为块体、结晶度一般、比表面积低（<10 m²/g）。通过调控升温速率、保温时间、气氛可优化形貌与结晶度。
2. 溶剂热 / 水热法
在高压釜中低温（200–300 ℃）液相缩聚。优点：反应温和、可直接获得纳米片 / 多孔结构、缺陷可控；缺点：产率低、难以放大。常用于制备高分散、超薄 g‑C₃N₄。
3. 模板法
分为硬模板（SiO₂、分子筛）与软模板（表面活性剂），可精准调控孔道结构与形貌。优点：比表面积大、传质效率高；缺点：模板去除复杂、成本高，多用于实验室制备多孔结构。
4. 化学气相沉积（CVD）
在真空 / 气氛下气相沉积生长高结晶度薄膜。优点：结晶性高、载流子迁移率高、均匀性好；缺点：设备昂贵、能耗高、仅适用于高附加值场景。
总体而言，热缩聚法是目前唯一可规模化生产的方法，也是工业应用的首选路线。
四、g‑C₃N₄的改性策略（提升光催化性能核心）
1. 形貌调控
将块体剥离为超薄纳米片、多孔、管状、球状结构，大幅提升比表面积与活性位点数量。例如，热剥离多孔超薄纳米片比表面积可达 278 m²/g，是块体的 26 倍，显著提升光吸收与载流子迁移。
2. 缺陷工程
主要引入 ** 氮空位（Nv）** 与碳空位（Cv）：
- 氮空位在价带上方引入缺陷能级，缩小带隙、增强可见光吸收；
- 空位作为载流子陷阱，抑制复合并提供活性位点。含氮空位的 g‑C₃N₄产氢与产 H₂O₂性能可提升数十倍。
3. 元素掺杂
- 非金属掺杂（B、P、O、S、K）：调控能带、拓宽光吸收、提升亲水性；
- 金属掺杂（Fe、Co、Ni、Ag、Mn）：引入中间能级、捕获电子、增强催化活性；
- 共掺杂（如 S‑K、Mn‑O）：协同优化电子结构，性能提升更显著。
4. 异质结构建（最有效改性手段）
通过复合第二半导体形成内建电场，强制分离载流子：
- Type II 异质结：电子与空穴分别迁移至不同半导体，分离效率高；
- Z 型异质结：保留强氧化 / 还原能力，适用于污染物深度矿化；
- S 型异质结（最新）：界面能带弯曲与库仑力驱动无用载流子复合，保留高活性载流子，是目前最优结构；
- p‑n 异质结：内建电场强，显著加速电荷迁移。
典型体系：TiO₂@g‑C₃N₄、MoS₂/g‑C₃N₄、WO₃/g‑C₃N₄、BiOCl/g‑C₃N₄。
5. 助催化剂负载
负载 Pt、Ag、Ni、CoP、Ni₂P 等，降低反应能垒、捕获载流子、提供活性位点，显著提升制氢、CO₂还原、污染物降解效率。
五、压电光催化：g‑C₃N₄的新一代协同技术
1. 压电光催化机制
压电材料受机械振动（超声、水流、搅拌）发生形变，产生压电极化电场，该电场作为 “定向驱动力”，强制光生 e⁻与 h⁺反向迁移，从根本上抑制复合，同时诱导能带弯曲、增强表面反应动力学。
协同优势：
- 压电电场持续驱动电荷分离；
- 拓宽光响应范围；
- 提升活性物种（・OH、・O₂⁻）产率；
- 可在弱光 / 无光下仅靠机械力催化。
2. g‑C₃N₄基压电光催化体系构建策略
（1）本征压电强化：通过剥离、掺杂、多孔化提升 g‑C₃N₄本征压电响应（源于层间滑移与面外变形）。
（2）复合强压电材料：与 BaTiO₃、BiFeO₃、ZnO、NaNbO₃、MoS₂等复合，形成异质结 + 压电协同。
（3）柔性复合膜：与 PVDF 聚合物复合，制备柔性器件，高效收集水流、风能等低频机械能。
3. 压电光催化优势
降解速率通常是纯光催化的2–10 倍，可实现暗态催化、深度矿化、抗干扰能力更强，特别适合实际废水体系。
六、g‑C₃N₄在光催化与压电光催化中的应用
1. 有机污染物降解
处理染料（罗丹明 B、甲基橙）、抗生素（四环素、环丙沙星）、酚类、农药等。压电光催化下，g‑C₃N₄/BaTiO₃、g‑C₃N₄/BiFeO₃等体系可在 60 分钟内实现 90%–99% 降解，循环稳定性优异。
2. 光催化制氢
利用压电电场强化电荷分离，制氢速率大幅提升。如 S 型 MoS₂/g‑C₃N₄产氢速率可达 658.5 μmol/g/h，是纯 g‑C₃N₄的 23 倍。
3. H₂O₂光合成
压电光催化可显著提升氧还原选择性与产率，最高产率达 4.86 mmol/g/h，远超纯光催化体系。
4. CO₂还原与氮固定
S 型异质结与压电耦合可提升 CO₂还原为 CO、CH₄的选择性与产率；氮固定速率可达 1773.8 μmol/h/g，为绿色合成氨提供新路径。
5. 空气净化
可高效降解 NO、甲醛等气态污染物，压电协同使去除率提升 2 倍以上。
七、关键挑战与未来发展方向
1. 核心挑战
（1）机理不清晰：压电‑光耦合界面电荷转移路径、活性物种定量、多场协同机制仍需原位表征验证；
（2）实际水体适应性差：实验室多为单一组分，真实废水含离子、有机质、悬浮物，抑制活性；
（3）规模化难题：高性能催化剂放大制备成本高、反应器设计缺乏、机械能量输入（超声）能耗高；
（4）稳定性与回收：粉体难回收、长期使用活性下降。
2. 未来发展方向
（1）高性能材料设计：发展 S 型异质结、缺陷精准调控、多金属位点共掺杂；
（2）原位机理研究：采用原位 XPS、原位 KPFM、瞬态光谱等揭示动态过程；
（3）柔性与可回收体系：磁性复合、薄膜 / 气凝胶材料，简化分离；
（4）反应器工程化：气升式、流体驱动反应器，利用自然水流 / 波浪能量；
（5）多场耦合：光‑压电‑热‑电协同，最大化能源利用率。
八、总结
g‑C₃N₄作为无金属、低成本、可见光响应的半导体，在光催化领域具有不可替代的优势。通过形貌调控、缺陷工程、元素掺杂、异质结构建等改性手段，可有效克服其比表面积小、载流子复合快等缺陷。压电光催化通过引入机械能量产生内建电场，从机制上突破传统光催化效率瓶颈，使 g‑C₃N₄基材料在污染物降解、制氢、H₂O₂生产、CO₂还原等应用中性能提升数倍至数十倍。
尽管目前仍面临机理认知不足、实际水体适应性、规模化制备与工程化应用等挑战，但随着材料设计、原位表征、反应器工程的不断进步，g‑C₃N₄基光催化与压电光催化技术将逐步实现工业化，成为水处理、空气净化、清洁能源生产的绿色核心技术，为全球 “双碳” 目标与生态环境保护提供重要支撑。
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