基于三聚氰胺-巴比妥酸超分子组装体的低温高效合成三嗪结构石墨相氮化碳(g-C3N4)及其光催化性能研究

研究人员通过开发三聚氰胺-巴比妥酸(MB)超分子前驱体策略，成功将石墨相氮化碳(g-C3N4)合成温度从传统550℃降至350℃，制备出具有17.6 m2/g比表面积的三嗪结构材料，在365/405 nm光照下展现出优异的光催化降解性能，为绿色能源材料开发提供新思路。

　　

在应对全球气候变化和能源危机的背景下，太阳能驱动的新型光催化材料研发成为科学界关注焦点。其中，石墨相氮化碳(g-C₃N₄)因其独特的二维层状结构、可见光响应特性和良好的化学稳定性，被视为最具潜力的非金属光催化剂之一。然而传统高温合成方法（≥550℃）不仅能耗高，且主要生成热力学稳定的七嗪结构(g-h-C₃N₄)，而具有更优光电性能的三嗪结构(g-t-C₃N₄)通常需要熔盐介质辅助合成，这些限制严重制约了材料的规模化应用。

针对这一挑战，来自国内的研究团队在《Carbon Trends》发表创新成果，通过设计三聚氰胺-巴比妥酸(MB)超分子前驱体，成功实现了350℃低温合成三嗪结构g-C₃N₄，将反应时间缩短至60分钟。研究证实该材料具有3.29 eV带隙和17.6 m²/g比表面积，在365 nm和405 nm光照下对罗丹明B和亚甲基蓝的降解效率分别达39%和56%，并通过扫描振动电极技术(SVET)首次观测到材料在可见光下的明确光电流响应。

研究团队采用多尺度表征技术体系：通过差示扫描量热法(DSC)和热重分析(TGA)确定关键相变温度；X射线衍射(XRD)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)证实三嗪结构形成；电子顺磁共振(EPR)检测光生自由基；扫描电镜(SEM)观察形貌演化；结合紫外-可见光谱(UV-Vis)和比表面积测试(BET)分析光电特性。

【结构演变与合成机制】
热分析显示MB前驱体在228℃发生非晶化转变，333℃开始脱氨缩合。XRD图谱中26.81°(002)晶面衍射峰证实三嗪结构形成，而特征七嗪结构12°(100)峰缺失。通过Scherrer方程计算发现，350℃样品具有78.01 ?晶粒尺寸和23个分子层，但随温度升高至450℃，层数减少至7层，表明高温导致结构有序度下降。

【光谱特征与电子结构】
FTIR谱图中808 cm^-1处三嗪环呼吸振动峰和1657 cm^-1处C=N伸缩振动峰证实骨架形成。EPR测试显示g值从MB前驱体的2.0036转变为g-C₃N₄特征的2.0059，光照下DMPO捕获到•OH和•OOH自由基信号，证实了光催化氧化机制。

【形貌控制与反应机理】
SEM观察到独特的"八芒星"形貌继承现象，显示超分子模板效应。理论计算支持巴比妥酸熔融（255℃）提供182 kJ/mol活化能，驱动三聚氰胺分子通过C-N键重组形成三嗪网络，该路径比酰胺缩合机制（需307 kJ/mol）更易发生。

【光催化性能】
在14.5 μW/mm²辐照下，CN-MB-350对亚甲基蓝的降解效率是前驱体的18倍。SVET技术直观显示405 nm光照诱导的离子电流分布，证实材料存在缺陷态介导的亚带隙光响应，这解释了其3.29 eV带隙却具有可见光活性的反常现象。

该研究突破性地将g-C₃N₄合成温度降低36%，能耗理论估算可减少40%以上。提出的"超分子前驱体-熔融辅助缩合"机制为碳氮材料结构调控开辟新途径，获得的三嗪结构材料在污水处理、光解水制氢等领域具有应用潜力。特别值得注意的是，材料在可见光区的反常光响应特性为设计宽光谱捕获催化剂提供了重要启示，其星形形貌保留现象也为纳米结构精确控制研究提供了新范式。这项工作被审稿人评价为"在绿色合成方法与功能材料设计交叉领域树立了新标杆"。