易于制备的碳气凝胶/石墨碳氮化物纳米复合材料，其在可见光光催化活性方面得到提升，可用于降解布洛芬

《Journal of the Indian Chemical Society》：Facile preparation of carbon aerogel/graphitic carbon nitride nanocomposite with enhanced visible-light photocatalytic activity for the degradation of ibuprofen

双氯芬酸光催化降解中，碳气凝胶/石墨相氮化碳异质结材料通过XRD、FTIR等表征证实其微孔结构及带隙优化，响应面法优化pH（4.6±0.5）、催化剂剂量（1.64 g/L）、初始浓度（8 mg/L）后去除效率达97%/59%。

　　近年来，随着工业化和城市化的加速发展，水体污染问题日益严重，其中药品污染物的出现成为全球关注的焦点。这类污染物通常来源于制药工业废水、医院废弃物、农业和兽医行业排放的废水，以及个人药品使用后的随意丢弃。药品污染物因其低生物降解性、长半衰期以及对生态环境和人体健康的潜在危害，已成为水处理领域亟需解决的问题。其中，布洛芬作为一种广泛使用的非甾体抗炎药，因其稳定性、不易降解以及在水体中的持久性，被认为是新兴污染物的代表之一。

面对这一挑战，研究人员致力于开发高效、经济且环境友好的水处理技术。其中，光催化技术因其能够在常温常压下进行，并且能够有效降解多种有机污染物，成为当前研究的热点。然而，传统的光催化剂多为无机材料，如二氧化钛、氧化锌等，这些材料在使用过程中可能释放重金属离子，从而对环境造成二次污染。此外，光催化过程中电子-空穴对的快速复合也是限制其效率的重要因素。因此，寻找一种具有高效光催化性能且不含重金属的新型催化剂成为研究重点。

近年来，石墨烯碳氮化物（g-C?N?）作为一种有机半导体材料，因其在可见光下的高光催化活性、金属自由的特性以及良好的化学稳定性，受到了广泛关注。g-C?N?的能带结构使其在光催化反应中能够有效地参与氧化还原反应，尤其是在可见光照射下，其价带（VB）能够提供足够的电子激发能力，促进污染物的降解。然而，g-C?N?本身也存在一些局限性，如较宽的禁带宽度（通常为2.8 eV），导致其对可见光的吸收能力有限；以及较低的比表面积，影响了其对污染物的吸附能力。为了克服这些缺陷，研究者尝试通过多种手段对g-C?N?进行改性，包括掺杂异原子、设计纳米结构、引入缺陷态等，以期提升其光催化性能。

在众多改性策略中，构建异质结被认为是提高g-C?N?光催化效率的有效途径。通过将g-C?N?与其他半导体材料或导电材料结合，可以形成具有协同效应的复合体系。例如，将g-C?N?与金属氧化物结合，可以引入氧空位，从而在价带和导带中形成缺陷态，有效抑制电子-空穴对的复合，提升光生载流子的迁移效率。此外，将g-C?N?与碳基材料结合，不仅可以增强其导电性，还能改善其对可见光的吸收能力，同时保持金属自由的特性，避免重金属污染。

碳气凝胶（Carbon Aerogel, CA）作为一种具有高比表面积和多孔结构的碳基材料，近年来在水处理领域展现出广阔的应用前景。CA的高孔隙率和大比表面积使其具有优异的吸附性能，能够有效捕捉和固定污染物。同时，其较低的电阻特性有助于减少电子-空穴对的复合，从而提升光催化效率。因此，将g-C?N?与碳气凝胶结合，形成异质结结构，成为一种有潜力的策略。

本研究通过一种简便的煅烧方法，将g-C?N?纳米片在碳气凝胶表面生长，制备了碳气凝胶/石墨烯碳氮化物（CA/CN）异质结复合材料。通过X射线衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）、氮气吸附-脱附等温线、紫外-可见漫反射光谱（DRS）、光致发光光谱（PL）以及Zeta电位等手段对材料进行了系统表征。结果表明，g-C?N?纳米片以纳米层的形式在碳气凝胶表面生长，形成了具有显著异质结效应的复合材料。这种结构不仅改变了碳气凝胶的氮吸附等温线类型，使其从传统的类型IV转变为类型I，表明其孔隙结构发生了显著变化，可能增强了对污染物的吸附能力。此外，通过异质结的构建，g-C?N?的禁带宽度从2.8 eV降低至2.61 eV，表明其对可见光的吸收能力得到了改善。

在光催化性能测试中，CA/CN复合材料表现出显著优于单独使用g-C?N?或碳气凝胶的性能。在最优条件下，CA/CN对布洛芬的去除效率达到97%，同时对总有机碳（TOC）的去除效率为59%。这一结果表明，CA/CN异质结复合材料在降解布洛芬方面具有较高的效率。为了进一步优化反应条件，研究团队采用Design-Expert软件对影响布洛芬去除效率的变量进行了实验设计，包括pH值、初始污染物浓度和催化剂用量。通过响应面法（Response Surface Methodology, RSM）中的中心组合设计（Central Composite Design, CCD），构建了第二阶非线性模型，并通过方差分析确定了pH值是影响去除效率的关键因素。在pH值为4.6 ± 0.5、催化剂用量为1.64 g/L、初始布洛芬浓度为8 mg/L的条件下，实现了最高的去除效率。

此外，研究还探讨了CA/CN复合材料在实际水处理中的应用潜力。由于其良好的吸附性能和高效的光催化降解能力，该复合材料有望在处理含布洛芬等药物污染物的废水方面发挥重要作用。同时，其金属自由的特性也使其在环境友好性方面具有优势，避免了传统无机催化剂可能带来的重金属污染问题。

从材料科学的角度来看，CA/CN异质结的构建不仅拓展了碳气凝胶的应用范围，也为其他碳基材料与g-C?N?的复合提供了新的思路。通过调控材料的结构和组成，可以进一步优化其光催化性能，使其适用于更广泛的污染物降解场景。例如，可以将该策略应用于其他有机污染物的降解，如染料、抗生素等，从而推动新型环保材料的发展。

在实验方法方面，本研究采用了溶胶-凝胶法结合煅烧工艺来制备CA/CN复合材料。首先，通过溶胶-凝胶方法制备了基于间苯二酚-甲醛的碳气凝胶前驱体，随后通过碳化处理得到碳气凝胶。在碳化后的碳气凝胶中加入尿素，并在高温下进行煅烧，使尿素分解生成g-C?N?纳米片，并在碳气凝胶表面生长。这种制备方法不仅操作简便，而且能够在一定程度上控制g-C?N?的生长形态和分布情况，从而优化其光催化性能。

在性能测试中，研究团队采用了一系列先进的分析技术，包括傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）、氮气吸附-脱附测试、紫外-可见漫反射光谱（DRS）、光致发光光谱（PL）以及Zeta电位测定。这些技术不仅能够验证材料的结构和组成，还能评估其表面性质、吸附能力和光响应特性。例如，FTIR光谱分析表明，CA/CN复合材料中存在明显的化学键合，说明g-C?N?与碳气凝胶之间形成了稳定的界面。XRD分析进一步证实了g-C?N?在碳气凝胶表面的成功生长，而氮气吸附-脱附测试则揭示了复合材料的孔隙结构变化，表明其吸附性能得到了显著提升。

在光催化反应中，布洛芬的降解主要依赖于光生电子和空穴的协同作用。当可见光照射到CA/CN复合材料表面时，光生电子被激发至导带，而空穴则留在价带中。这些高活性的电子和空穴可以与污染物分子发生氧化还原反应，从而将其分解为无害的小分子物质。此外，由于g-C?N?与碳气凝胶之间的异质结效应，电子-空穴对的复合速率得到了有效抑制，从而提高了光生载流子的利用率，增强了光催化效率。

本研究的成果不仅为药物污染物的治理提供了新的材料和技术手段，也为其他类型的有机污染物处理提供了借鉴。CA/CN异质结复合材料的制备和性能优化表明，通过合理设计材料结构和界面，可以显著提升光催化材料的性能。这种策略可以推广至其他污染物的降解，如染料、重金属离子等，从而推动光催化技术在环境治理领域的广泛应用。

在实际应用中，CA/CN复合材料的优势在于其高效率、低成本以及环境友好性。相较于传统的无机光催化剂，该材料避免了重金属污染的风险，同时其制备过程相对简单，有利于大规模生产和应用。此外，其优异的吸附性能使其能够在光催化反应前对污染物进行有效富集，从而提高整体处理效率。这些特性使其在水处理领域具有较高的应用价值。

本研究的创新点在于采用了逆向策略，将g-C?N?生长在碳气凝胶表面，而不是将碳气凝胶作为g-C?N?的载体。这种结构设计不仅优化了材料的性能，还为其他类似材料的合成提供了新的思路。此外，通过响应面法对实验变量进行了系统优化，确定了最优反应条件，为后续的工程化应用奠定了基础。

未来的研究方向可以包括进一步探索CA/CN复合材料在不同污染物降解中的表现，以及优化其在实际水处理系统中的应用条件。例如，可以研究其在不同pH值、温度和光照条件下的稳定性，以及其在处理高浓度污染物时的效率。此外，还可以探索其与其他材料的复合，如金属有机框架（MOFs）、石墨烯氧化物（GO）等，以期开发出更加高效和多功能的光催化材料。

总之，本研究通过构建CA/CN异质结复合材料，成功提升了其对布洛芬的光催化降解能力。这种材料不仅在实验室条件下表现出优异的性能，而且在实际应用中具有广阔的前景。随着环境问题的日益严峻，开发高效、环保的水处理技术已成为当务之急。CA/CN异质结复合材料的出现，为解决这一问题提供了新的思路和方法，有望在未来成为水处理领域的重要材料之一。