类石墨氮化碳的光电性能及其应用研究

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1、硕士学位论文类石墨氮化碳的光电性能及其应用研究作者姓名郭倩怡学科专业材料学指导教师董国平教授所在学院材料科学与工程学院论文提交日期2018年6月TheInvestigationofOptoelectronicPropertiesofGraphiticCarbonNitrideandItsApplicationADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：GuoQianyiSupervisor：Prof.DongGuopingSouthChinaUniversityofTechnologyGuangzhou,China分类号∶TQ

2、171学校代号∶10“1学谔手∶201520114400华南理工大学硕士学位论文类石墨氮化碳的光电性能及其应用研究作者姓名:郭倩怡指导教师姓名、职称:董国平教授申请学位级别:硕士学科专业名称:材料学研究方向:光功能材料年年月日论文提交日期:年月论文答辩日期:月日学位授予单位:华南理工大学学位授予日期:委员:摘要类石墨氮化碳（g-C3N4），一种具有良好的半导体特性、合适的电子能带结构和优异物理化学稳定性的聚合物半导体二维材料，近年来被作为一种新型的非金属光电子材料在（光）电催化、光电转换、分析传感、荧光标记以及发光器件等领域吸引了广泛的关注。在可见光下，g-C3N4高效光催化分解水产氢

3、的应用优势尤为突出，促进了大量致力于进一步提高其光电性能的功能化改性策略的发展，以满足现代对新能源清廉易得的需求。此外，这些功能化改性策略有望进一步挖掘g-C3N4光电性能上的其他潜在应用，并推进其在电子结构以及光学性能上的系统研究。基于此，本文旨在探索新型功能化改性的方法并对其电子结构和光电性能进行系统的调控，提高其在能源领域的应用效率并拓宽其在其他领域的应用，丰富g-C3N4相关材料的研究内容。本文通过气泡模板法成功对g-C3N4实现三维疏松泡沫状形貌的结构调控，其光电性能得到了优化，从而显著提高了其光催化分解RhB以及光催化水产氢的性能，同时保持了其优良的光学性质。利用气泡吹鼓效

4、应获得的三维泡沫状g-C3N4由超薄并且具有大比表面积的纳米片组成，其形貌结构的改性减小了块状g-C3N4的聚集效应并提供了有利于光催化反应的电子传输通道。通过控制升温速率及聚合温度，此制备方法简易地得到层数可控的纳米片，克服了传统“top-down”的方法耗时低效的弊端。同时，通过泡沫生长动力学分析及密度泛函理论计算（DFT）深入地研究了气泡模板对电子结构改性的机理。此外，利用杂环分子嫁接改变g-C3N4共轭网络结构聚合过程的方法可对其能量带隙进行调控，实现可见波段范围连续可调的全波段荧光发射（450~650nm），拓宽了该材料在光催化方面以外的应用领域。通过对嫁接异构分子浓度的调控

5、，此方法开拓性地提供了一种安全稳定、适合大批量制备产物的有效方法，使g-C3N4的光学性质可根据实际应用的需求调控，能够克服以往g-C3N4光学性质调控范围窄的局限，使其在固体光导器件、照明显示以及生物探针等领域展现了更多应用前景。本工作对异构分子的掺进对π键共轭系统的影响进行了系统的研究，并提出了g-C3N4改性产物的可调谐发光机理。最后，本工作利用g-C3N4改性产物制备出了可见光全波段荧光可调谐的LED器件，并首次得到了g-C3N4白光发射的LED器件。关键词：g-C3N4；结构调控；光催化；全波段发光IAbstractGraphite-likecarbonnitride(g-C

6、3N4),atwo-dimensionalpolymericsemiconductormaterialwithoutstandingsemiconductorcharacteristics,suitableelectronicenergybandstructureandexcellentphysicochemicalstability,hasbeenattractedwidespreadattentionrecentlyasanovelinorganicphotoelectronmaterialinthefieldsofphoto(electric)-catalysis,photoel

7、ectricconversion,analyticalsensing,fluorescentmarking,lightemittingdevicesandsoon.Uponthevisiblelight,g-C3N4hastheprominentadvantagesofhigh-efficiencyphotocatalytichydrogenevolution,whichhaspromotedthedevelopmentoftremendous