哈尔滨工业大学硕士学位论文
摘要
氢能被认为是未来太阳能燃料的主要候选者之一，光催化分解水制氢则是
目前一种高效、廉价、无污染的制氢方式。类石墨相氮化碳（g-CN）是一
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种生产成本低廉、合成方法简单、物理化学性质稳定、环境友好、具有合适的
禁带宽度和独特的层状结构的高活性二维光催化剂，在可再生能源制备、环境
治理及光催化领域有广泛的应用。但g-CN在实际应用中存在着光生电子-空
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穴复合较快、可见光吸收范围较窄等问题，制约其催化活性的提升。而氮空位
的引入是改善光生载流子迁移速率的有效手段，镍基化合物对可见光有很强的
吸收能力，在光催化分解水制氢方面具有很好的应用前景。所以本文通过引入
氮空位来调节g-C3N4的能带位置和带隙，并负载镍基化合物以构筑二维复合
材料，从而制备出具有优异可见光吸收能力的光解水制氢催化剂。
首先采用简单的热缩聚法合成g-CN，并通过超声剥离法得到超薄二维
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g-CN（CN）纳米片，而后将g-CN纳米片进行热处理获取带有氮空位的g-
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CN纳米片（VCN），再分别以CN和VCN纳米片作为前驱体通过简单的
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直接沉淀法合成不同磷酸镍负载量的g-CN/Ni(PO)（CN/NPO）和氮空位
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g-CN/Ni(PO)（VCN/NPO）二维复合材料。以三乙醇胺为牺牲剂，在模
34342N
拟太阳光（AM1.5G）条件下分别测试其光催化分解水制氢性能，在未添加任
何助催化剂的情况下，CN和VNCN纳米片的光催化分解水制氢速率分别为8
μmol?g-1?h-1和53.7μmol?g-1?h-1。CN/NPO复合材料的最佳制氢速率为186
μmol?g-1?h-1，与CN相比，光催化分解水制氢速率提升了22.2倍，VNCN/NPO
复合材料的最佳制氢速率为428μmol?g-1?h-1，与VNCN相比，光催化分解水制
氢速率提升了7倍，与CN/NPO复合材料相比提升了1.3倍。另外，使用紫外
-可见吸收光谱、XPS价带谱、紫外光电子能谱等揭示了该催化剂的光催化分
解水制氢的催化机理：氮空位的引入提高了g-CN的光吸收能力和光生载流
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子的迁移速率；而且VNCN与NPO形成了Z型异质结，实现了光生电子和空
穴在空间上的分离，抑制了光生载流子的复合，保留了参与制氢反应的电子的
高还原性，从而提升了VNCN/NPO催化剂复合材料光催化分解水制氢性能。
同样地分别以CN和VNCN纳米片作为前驱体通过一锅水热法合成不同硫
化镍负载量的g-CN/NiS（CN/NIS）二维复合材料和氮空位g-CN/NiS
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（VNCN/NIS）二维复合材料。其中，当NiS的负载量为10%时，VNCN/NIS
具有最优的光催化分解