g-C3N4是一种典型的聚合物半导体，其结构中的CN原子以sp2杂化形成高度离域的π共轭体系。其中Npz轨道组成g-C3N4的最高占据分子轨道（HOMO），Cpz轨道组成最低未占据分子轨道（LUMO），禁带宽度~2.7 eV，可以吸收太阳光谱中波长小于475的蓝紫光。

C3N4被认为是最古老的人工合成化合物之一，其历史可以追溯到1834，由Berzelius和Liebig首次报道了这种由C和N原子组成的聚合物基材料，并将其命名为“melon”。1922年Franklin通过热解Hg(CN)2和Hg(SCN)2等前驱体得到一种无定型氮化碳。1937年由Pauling和Sturdivant首次提出C3N4是以共面三均三嗪为基本结构单元的多聚类化合物，并通过X射线晶体学研究证明了这一观点。

20世纪90年代，C3N4在长时间的冷落后再次引起研发人员的关注，但这一时期主要是在超硬材料β-C3N4方向有突破性进展。

1996年Teter和Hemley采用第一性原理对C3N4重新计算，提出C3N4具有5种结构，即α相（α-C3N4）、β相（β-C3N4）、立方相（Cubic-C3N4）、准立方相（Pesudecubic-C3N4）和类石墨相（g-C3N4），其中前四种为超硬材料，而g-C3N4是软质相，在常温常压下稳定。

2006年g-C3N4开始应用于多相催化领域，由福州大学王心晨教授课题组于2009年证实g-C3N4非金属半导体可以在光照下催化水产生氢气，标志着g-C3N4在光催化发展史上的重要里程碑。

近年来，由于特殊的结构和优异的性能， g-C3N4成为研究热点，也有企业成功实现量产并推动g-C3N4在光催化领域的商业化应用。

g-C3N4是一种近似石墨烯的平面二维片层结构，有两种基本单元，分别以三嗪环(C3N3，图1左图)和3-s-三嗪环(C6N7，图1右图)为基本结构单元无限延伸形成网状结构，二维纳米片层间通过范德华力结合。Kroke等通过密度泛函理论（DFT）计算表明3-s-三嗪环结构较三嗪环结构连接而成的g-C3N4更稳定。

Schematicillustration of photoexcitedelectron−hole pairs in g-C3N4 with possible decay pathways. A and D denoteelectron acceptor and electron donor, respectively.

g-C3N4受光激发产生电子-空穴对的示意图

hν表示光子能量，A表示电子受体，D表示电子供体

g-C3N4作为新型非金属光催化材料与传统的TiO2光催化剂相比， g-C3N4 吸收光谱范围更宽，不需要紫外光仅在普通可见光下就能起到光催化作用；同时，比起TiO2，g-C3N4更能有效活化分子氧，产生超氧自由基用于有机官能团的光催化转化和有机污染物的光催化降解，更适用于室内空气污染治理和有机物降解。

g-C3N4具有良好的热稳定性和化学稳定性。 g-C3N4能在高温下性能稳定。在超过600℃时热稳定性才会开始下降。

g-C3N4能在强酸强碱下保持性能稳定。

g-C3N4经测试对SPF级KM小鼠急性经口毒性LD50＞5000 mg/kg·BW，属于实际无毒。对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌有良好的抑菌作用。

g-C3N4对环境友好，无二次污染。

g-C3N4能通过多种富氮前驱体（如双氰胺、尿素、三聚氰胺、硫脲等）、多种制备手段制得，具有工艺流程短、使用设备少、对设备要求低、制备时间短等特点。但由于产率低、成品稳定性低等问题存在，主要还是实验室级少量制备，但也有企业成功实现规模量产。

1.1光催化分解水制氢制氧 ·g-C3N4 的导带和价带跨立在H+/H2 和H2O/O2还原电势的两侧，所以g-C3N4可用来催化水的分解

Oxidation:

H2O + 2h+ → 2H+ + ½ O2 (1)

Reduction:

2H+ + 2e− → H2 (2)

Overall reaction:

H2O → H2 + ½ O2 (3)

1.2光催化降解污染物

光催化反应的本质是氧化还原反应，当半导体光催化材料受到光照射时会吸收光能，一旦能量超过其阈值时材料将受到激发，从而产生光生电子（e-）和空穴（h+），电子和空穴迁移到催化材料表面，其中电子被溶解氧所捕获形成超氧自由基（·O2-），而空穴则将吸附在催化剂表面，将水和氢氧根离子氧化成羟基自由基（·OH），这两类物质均具有很强的氧化性，从而将材料表面的污染物/细菌氧化成CO2和H2O，最终起到防污、除菌和净化功能。

光催化降解污染物方面与传统纳米二氧化钛对比：

g-C3N4半导体由于表面含有大量的氨基，近年来开始作为传感器用于金属离子的检测、酸性气体的检测和生物成像等方面。

g-C3N4纳米材料由于具有优异的化学惰性、较高的比表面积和种类丰富的纳米多级结构，常被用作传统催化领域绿色载体和储能材料。

g-C3N4由于独特的化学组成和π共轭电子结构， 具有较强的亲核能力、易形成氢键以及Bronsted 碱功能和Lewis碱功能， 使其可以成为一种多功能的催化剂， 应用于传统的有机催化反应中。

g-C3N4的制备方法主要分为物理法和化学法

固相反应法制备g-C3N4一般选择含有三嗪结构的化合物作为反应前驱体，如三聚氰氯、三聚氰胺等，以LiN3、NaN3等作为氮源，在一定温度下进行固相反应制得g-C3N4 。该方法可灵活地调整C/N摩尔比、可控制材料的纳米结构和形貌。

溶剂热法制备g-C3N4一般选择以三聚氰胺、三聚氰氯等为原料，NH2NH2、Et3N等为溶剂在一定温度下结晶合成。该方法具有反应条件温和、构成易于控制和体系均匀性好等优点。

电化学沉积法近年来应用于g-C3N4薄膜的制备，该方法设备简单、易于控制，能能降低反应体系温度。

热聚合法通过热诱导前驱物发生缩聚反应形成g-C3N4 ，是一种直接而简便的材料制备方法，近年来逐渐成为制备g-C3N4的一种常用和重要的合成方法, 广泛应用于制备g-C3N4基催化剂、催化剂载体和储能材料等。

热聚合法选用富氮前驱体种类多、成本低，对设备和控制要求低，操作简单，易于放大，成为规模化制备g-C3N4的首选途径。

1.元素掺杂是将额外的元素引入g-C3N4框架的过程，来调节g-C3N4的光学、电子、发光和其他性质，根据掺杂的元素通常分为两类：非金属掺杂和金属掺杂。非金属掺杂主要有O、C、S、B、I、F等，金属掺杂主要有Zn、Fe、Ni、Cu、Co和碱金属。

2. g-C3N4的共聚合

g-C3N4的光催化活性来源于π共轭结构，共聚法是调节π体系、电子性质、光吸收、能带结构和重要的光催化性能的典型分子掺杂。

3.构筑异质结结构

g-C3N4中的载流子复合会大大降低光催化效率，为抑制载流子复合，构筑g-C3N4的异质结结构引起了广泛的关注。主要有金属/g-C3N4异质结、其他半导体/g-C3N4异质结、碳材料/g-C3N4异质结、导电聚合物/g-C3N4异质结等。

4.微观形貌调整

g-C3N4的性能与其比表面积和孔结构有着重要的关系。通常采用溶剂剥离和热剥离来增大比表面积，采用模板法来引入多孔结构。

传统的均相催化过程不利于g-C3N4催化剂回收，也会降低其光催化性能，所以如何将g-C3N4固载至合适的基材表面成为提高g-C3N4材料利用效率的一个热点方向。

g-C3N4由于其独特的结构和优异的性能，受到研究和应用方面广泛关注，在能源、催化、传感领域的潜在价值不断被开发，且在化学、材料、物理、生物、环境、能源等领域取得重要成果。随着科研人员和民众对g-C3N4的认识不断加深， g-C3N4在未来将会被应用于更多的领域、更多的场景中。