背景介绍

    挥发性有机化合物 (VOCs) 是煤化工产业、石油化工产业等排放的常见废气，其对大气臭氧污染、PM2.5污染的产生具有重要影响，且对人体健康具有极大危害，因此对VOCs的治理刻不容缓。光催化法可以通过光照催化剂使其价带上电子被激发，跃过禁带进入导带，同时在价带上产生相应的空穴，电子和空穴与吸附在催化剂粒子上的VOCs分子发生氧化还原反应，进而使其被降解成二氧化碳和水。石墨相氮化碳 (g-C₃N₄) 是一种层状堆积二维材料，其带隙较窄，具有很好的可见光响应能力，因此在光降解有机物领域被广泛应用。

    体相g-C₃N₄存在光生电子与空穴复合几率高、光吸收效率低、比表面积小等缺点，这限制了其光催化活性。而g-C₃N₄的二维层状平面结构和简单的元素组成使其易于通过简单改性方式来提高光催化性能。本文详细归纳了几种常见的g-C₃N₄改性方式（离子掺杂、碳材料复合、金属复合、氧化物复合等）在光催化降解VOCs过程中的应用，讨论了不同改性方式对应的反应机理、技术优势和发展局限，指出了开发g-C₃N₄基光催化材料的相关挑战及克服这些挑战的潜在策略。

图文解析

Figure 1. Overview of different g-C₃N₄-based photocatalysts for photocatalytic applications.

 (来自原文Figure 1)

要点：用于光催化降解VOCs的g-C₃N₄复合材料概述。

Figure 2. Schematic diagram of band structure of g-C₃N₄-based (a) type II heterojunction and (b) Schottky barrier, Z-scheme charge transfer mechanism between semiconductors (c) with of (d) without electron mediator. (来自原文Figure 2 )

要点：构建异质结构可以有效分离电子-空穴对，有效增加反应位点。g-C₃N₄通常可以与半导体材料复合构建II型异质结、肖特基结和Z型异质结，进而改变光激发电子转移路径，减少电子-空穴复合率，提高光催化反应效率。

Figure 3. (a) TEM image of GCNA-0.2, (b) Photocurrent density responses of GCN-0 and GCNA-0.2, (c) Schematic diagram of porous g-C₃N₄ nanosheet and photodegradation of formaldehyde by CN-0, CNCA-1 and GCNA-0.2, (d) Time-dependence of formaldehyde degradation. (来自原文Figure 4 )

要点：通过烧结等方式可以对块状g-C₃N₄进行剥离，得到的多孔g-C₃N₄纳米片具有较高的比表面积和较多的反应活性位点。相比于传统制备方法，剥离后g-C₃N₄的载流子浓度显著增加，光催化降解甲醛等VOCs的效率得到显著提升。

Figure 4. (a) SEM image of C/CN-8, (b) Photocatalytic formaldehyde removal of pure g-C₃N₄ and C/CN-x, (c) Schematic diagram of charge separation and formaldehyde photodegradation on biochar/g-C₃N₄ composite under visible light irradiation, (d) Photocatalytic degradation of gaseous formaldehyde by CNNS modified textile under irradiation by LED lamp (50 W), (e) Schematic diagram for preparation of CNNS modified textiles. (来自原文中Figure 9)

要点：构造碳材料和g-C₃N₄之间的紧密界面可以延长载流子寿命并加速电荷转移。在生物炭骨架和g-C₃N₄的协同作用中，生物炭骨架的多孔结构可以吸附和富集甲醛，使得复合材料的光催化活性得到提升。

Figure 5. (a) TEM image of Ag/g-C₃N₄ with the inserted histogram of size distribution of Ag nanoparticles, (b, c, d) Adsorption and visible light degradation of three VOCs on Ag/g-C₃N₄, (e) Schematic representation of the main electronic events occurring after light absorption and their impact in the photodegradation of toluene, (f) Analysis of the photocatalytic performance of the 1Ag/g-C₃N₄ catalysis. (来自原文中Figure 10)

要点：将Au、Ag、Pt等金属粒子负载在g-C₃N₄上可以富集催化剂表面的空穴，抑制电子-空穴对的复合，有效促进电子转移，从而提高催化剂的光催化性能。

Figure 6. (a) Synthesis mechanism of TiO₂-CdS-gCNNSs, (b) Photocatalytic degradation of phenol over g-C₃N₄, gCNNSs, TiO₂-gCNNSs, CdS-gCNNSs, CdS-TiO₂ and x TiO₂-CdS-gCNNS, (c) SEM image of TiO₂/g-C₃N₄/G, (d) Photocurrent response of the photo anodes of TiO₂ NWs, g-C₃N₄, TiO₂/G, g-C₃N₄/G and TiO₂/g-C₃N₄/G samples, (e) Photoreduction curves of NB aqueous solutions containing different photocatalysts. (来自原文中Figure 13)

要点：g-C₃N₄与氧化物等多种半导体复合形成的多元体系可以对其光催化效果起到积极作用。例如，在TiO₂/CdS/g-C₃N₄三元复合催化剂中，g-C₃N₄和CdS通过静电吸附紧密连接，并且通过Ti-O-C, Ti-O-C=O和Ti-O-N键与TiO₂形成复合异质结催化剂，可以有效增加电荷转移，从而提升催化剂效率。同理，在TiO₂/g-C₃N₄/石墨烯三元复合催化剂中，石墨烯增强了光催化过程中的电荷转移，使得光电流显著增加，极大提升了催化剂的光催化效率。

全文小结

    本文总结了g-C₃N₄基纳米复合材料通过光催化降解VOCs的研究进展，首先对纯g-C₃N₄材料的特性和光催化性能进行了研究，并进一步探讨了不同类型的改性形式（离子掺杂、碳材料复合、金属复合、氧化物复合等）对g-C₃N₄的改性机理和降解性能。最后，本文指出了开发g-C₃N₄基光催化材料领域面临的应用局限：第一，光催化降解VOCs的效率亟需大幅提高以满足生产生活需要；第二，目前的研究对光催化反应过程的机理解释的完整性尚有不足， g-C₃N₄基纳米复合材料在光催化领域的研究还需要进一步深入。

    该研究成果得到了国家自然科学基金、陕煤秦岭计划等基金的资助。