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石墨相氮化碳（graphitic carbon nitride，g-C3N4）是一种类石墨结构的聚合物，近年来，由于其可调节的电子性能和出色的化学稳定性，在光催化领域引起了极大的关注。并且，通过廉价的前驱体如尿素、双氰胺、硫脲或三聚氰胺等物质，可以便捷的制备g-C3N4，使得石墨相氮化碳在太阳能转换和环境修复领域得到了广泛的应用。g-C3N4上六个氮具有孤电子对（又称nitrogen pots）是进行化学修饰的理想位点，已有通过金属或非金属的掺杂来改变g-C3N4催化效率较低等缺点，据报道掺杂金属原子增强了其在催化过程和氧化还原反应中的活性在太阳能转换和环境修复领域得到了广泛的应用。并且，氮-金属组成的环状材料具有良好的配体场效应和化学稳定性，有望成为在宽pH范围内使用的类Fenton反应催化剂。本实验采用直接合成法制备金属Mn掺杂的g-C3N4（Mn/g-C3N4）单原子催化剂作为光响应催化材料，进行以磺胺甲恶唑为主的水体微污染物降解及机理研究。
除了直接合成法，牺牲模板法对合成纳米催化材料也有一定优势，本实验采用墨鱼骨为模板，制备钴负载氮掺杂碳纳米材料（Co-CN），对上述Co-CN进行了一系列的表征并应用于催化活化过一硫酸盐（PMS）降解甲硝唑。本论文的主要内容分为以下两个部分：
（1）Mn/g-C3N4应用于光增强催化活化过一硫酸盐降解磺胺甲恶唑
本实验通过简单的直接合成法（一锅法）制备Mn/g-C3N4材料，以三聚氰胺、三聚氰酸和聚乙烯亚胺在水溶液中自组装的聚合物为前驱体与四对氯苯基卟啉锰一起研磨，上述混合物在氮气气氛下煅烧得到Mn/g-C3N4单原子催化剂。实验系统的评估了纯的g-C3N4及Mn/g-C3N4的催化效率，实验发现Mn/g-C3N4表现出更加优异的催化效果。研究了溶液pH、过一硫酸盐（PMS）浓度、催化剂用量对Mn/g-C3N4催化降解磺胺甲恶唑（SMX）的影响。在最佳条件下（pH=10、[PMS]=0.3g L-1、[Mn/g-C3N4]=0.1g L-1）降解20mg L-1的SMX需要时间为15min，并且具有优异的循环使用效果。通过猝灭实验和电子自旋共振（ESR）研究催化体系产生的自由基，发现SO4·-和·OH是参与反应的主要活性自由基。金属Mn的加入有效的防止g-C3N4中光生电子—空穴的复合，解决了限制g-C3N4光催化活性的主要因素。Mn/g-C3N4/PMS/vis体系能够对双酚A（BPA）、四溴双酚A（TBBPA）、甲硝唑（MTZ）、美罗培南（MEM）等微污染物也有很好的催化降解效果，说明该催化剂具有潜在的应用前景。
（2）墨鱼骨模板法制备钴、氮掺杂碳（Co-CN）纳米复合材料应用于高效降解甲硝唑
本实验采用牺牲模板法制备高效Co-CN纳米催化材料。采用天然的墨鱼骨为模板，通过吸附Co2+和多巴胺包裹，使Co2+固定到墨鱼骨模板上，将上述吸附和包裹的墨鱼骨在氮气气氛下煅烧碳化，通过盐酸浸泡去除模板，得到单原子Co-CN纳米材料。通过去除模板，使得Co-CN表现出高的孔隙率和高的比表面积，从而增加其与污染物的有效接触面积。Co-CN对水中的甲硝唑（MTZ）等污染物均具有良好的催化降解性能，在最佳条件下（pH=7、[PMS]=0.2g L-1、[Co-CN]=0.1g L-1）降解20mg L-1的MTZ需要时间为10min，并具有优异的循环循环使用效果。
除了直接合成法，牺牲模板法对合成纳米催化材料也有一定优势，本实验采用墨鱼骨为模板，制备钴负载氮掺杂碳纳米材料（Co-CN），对上述Co-CN进行了一系列的表征并应用于催化活化过一硫酸盐（PMS）降解甲硝唑。本论文的主要内容分为以下两个部分：
（1）Mn/g-C3N4应用于光增强催化活化过一硫酸盐降解磺胺甲恶唑
本实验通过简单的直接合成法（一锅法）制备Mn/g-C3N4材料，以三聚氰胺、三聚氰酸和聚乙烯亚胺在水溶液中自组装的聚合物为前驱体与四对氯苯基卟啉锰一起研磨，上述混合物在氮气气氛下煅烧得到Mn/g-C3N4单原子催化剂。实验系统的评估了纯的g-C3N4及Mn/g-C3N4的催化效率，实验发现Mn/g-C3N4表现出更加优异的催化效果。研究了溶液pH、过一硫酸盐（PMS）浓度、催化剂用量对Mn/g-C3N4催化降解磺胺甲恶唑（SMX）的影响。在最佳条件下（pH=10、[PMS]=0.3g L-1、[Mn/g-C3N4]=0.1g L-1）降解20mg L-1的SMX需要时间为15min，并且具有优异的循环使用效果。通过猝灭实验和电子自旋共振（ESR）研究催化体系产生的自由基，发现SO4·-和·OH是参与反应的主要活性自由基。金属Mn的加入有效的防止g-C3N4中光生电子—空穴的复合，解决了限制g-C3N4光催化活性的主要因素。Mn/g-C3N4/PMS/vis体系能够对双酚A（BPA）、四溴双酚A（TBBPA）、甲硝唑（MTZ）、美罗培南（MEM）等微污染物也有很好的催化降解效果，说明该催化剂具有潜在的应用前景。
（2）墨鱼骨模板法制备钴、氮掺杂碳（Co-CN）纳米复合材料应用于高效降解甲硝唑
本实验采用牺牲模板法制备高效Co-CN纳米催化材料。采用天然的墨鱼骨为模板，通过吸附Co2+和多巴胺包裹，使Co2+固定到墨鱼骨模板上，将上述吸附和包裹的墨鱼骨在氮气气氛下煅烧碳化，通过盐酸浸泡去除模板，得到单原子Co-CN纳米材料。通过去除模板，使得Co-CN表现出高的孔隙率和高的比表面积，从而增加其与污染物的有效接触面积。Co-CN对水中的甲硝唑（MTZ）等污染物均具有良好的催化降解性能，在最佳条件下（pH=7、[PMS]=0.2g L-1、[Co-CN]=0.1g L-1）降解20mg L-1的MTZ需要时间为10min，并具有优异的循环循环使用效果。