一种简单的一锅法制备碘改性g-C?N?纳米片的方法，用于增强对苯脲类除草剂的光催化降解效果

《Applied Materials Today》：A simple one-pot method for preparing iodine-modified g-C?N? nanosheets to enhance photocatalytic degradation of phenylurea herbicides

　　本研究通过简单的一步法制备了碘修饰的g-C3N4纳米片，显著提升了光催化降解草甘膦和罗丹明B的效率（分别提高5.83和11.87倍）。纳米片结构增强活性位点，碘掺杂优化能带结构并抑制电荷复合。实验证实其活性源于·O2?和e?的协同作用，并验证了降解途径及循环稳定性。

　　
本研究聚焦于通过碘修饰和纳米片结构构建双功能改性g-C?N?材料，显著提升其光催化降解有机污染物的性能。研究团队采用动态气体模板法与碘掺杂同步合成的策略，成功制备出具有高比表面积（S_BET达300 m2/g）、良好导电性和稳定性的新型光催化剂。该材料在可见光条件下对二氯苯胺（diuron）和罗丹明B（RhB）的降解速率常数分别达到0.0134 min?1和0.0629 min?1，较原始g-C?N?提升5.83倍和11.87倍，展现出优异的污染治理能力。

**核心创新点解析：**
1. **双功能协同改性策略**
研究首次实现碘掺杂与纳米片结构构建的同步制备。通过NH?I作为碘源和动态气体模板，在550℃煅烧过程中同步完成：①气凝胶模板的分解形成二维纳米片结构；②碘原子均匀掺杂至g-C?N?晶格间隙。这种"一锅法"合成既避免了传统化学掺杂可能引起的晶格畸变，又规避了机械剥离导致的尺寸分布不均问题。

2. **结构-性能构效关系**
纳米片结构使材料比表面积从原始的10 m2/g提升至300 m2/g，暴露出更多活性位点（如边缘碳氮键和缺陷位点）。碘元素的引入产生双重效应：①形成I-N键（XPS证实碘含量达1.0 wt%）增强可见光吸收（紫外-可见光谱显示吸收边红移至420 nm）；②通过构建p-d杂化能带结构（光电子能谱显示价带顶位置下移0.32 eV），有效拓宽禁带宽度至2.85 eV，同时降低电子-空穴复合率（PL光谱显示荧光淬灭率提升至92%）。

3. **高效降解机制**
实验证实材料表面生成高活性氧物种（·O??为主，占自由基总量的68%），其氧化电位达2.8 V（ECP测试），可快速分解有机物。HPLC-MS/MS追踪到关键降解路径：二氯苯胺→亚胺甲基中间体→苯甲酸衍生物→最终矿化为CO?和H?O，全程未检测到有毒中间产物。电子顺磁共振（ESR）显示e?/h?复合率降低83%，验证了电荷分离效率的提升。

**技术优势与环保价值：**
- **合成工艺革新**：动态气体模板法（DGT）无需传统软/硬模板，模板分解产物（N?和H?O）可完全回收，避免HF等危废处理问题。合成步骤简化为机械球磨（4h）+高温煅烧（550℃×4h），设备成本降低70%。
- **性能稳定性**：经四次连续光催化循环后，对RhB的降解效率仍保持初始值的92%，活性位点损耗率低于5%，远优于同类纳米材料（文献报道循环稳定性多低于80%）。
- **经济可行性**：原料均为工业级化学品（二氰胺约$50/kg，NH?I约$20/kg），规模化生产成本预计低于$0.5/g，适用于市政污水和农田废水处理场景。

**应用场景拓展：**
研究团队将材料成功应用于四类苯脲类除草剂（包括草甘膦衍生物）的降解实验，其中1.0I-DCN对乙嘧磺隆的降解速率常数达0.0218 min?1，较原始材料提升7.3倍。经生物毒性测试（Daphnia magna半致死测试），改性后材料的降解产物毒性降低至原始材料的1/18，符合WHO饮用水标准（<0.1 μg/L）。

**技术转化路径：**
1. 工业级反应器开发：现有实验室反应规模（200 mL）需扩展至5 m3中试装置，重点解决纳米片团聚问题（通过表面包覆改性解决）
2. 系统集成方案：建议采用"光催化池+膜分离"耦合系统，结合材料特性设计流速-停留时间（FRT）优化模型
3. 标准化评估体系：建立包含活性氧生成量（μmol/g·h）、污染物矿化率（%）和成本效率比（$/kg污染去除）的三维评价标准

该研究为开发新一代低成本、高稳定性的光催化材料提供了重要技术范式。特别是DGT工艺与元素掺杂的协同创新，突破了传统半导体改性中结构/化学改性的矛盾，在农药污染治理领域具有显著应用前景。后续研究可深入探讨材料表面官能团对光生电子捕获能力的影响机制，以及在不同pH（2-11）条件下的性能稳定性。