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（一）内容介绍

通过高温热诱导廉价易得的前驱物-氧化硼、尿素和葡萄糖-发生聚合反应形成硼碳氮材料，是一种简便易操作的硼碳氮材料制备方法。其中，氧化硼作为硼源，葡萄糖作为碳源，氨气作为氮源，而尿素作为膨化剂。六方相硼碳氮（h-BCN）平面内的原子以共价键相互作用而层间以范德华力相互作用，化学性质稳定。根据密度泛函理论计算，其价带和导带均由C2P轨道组成；带隙宽度约为2.7 eV，可吸收可见光；导带底约为－1.2 eV，价带顶为+1.5 eV。

（1）样品准备

将药品置于清洁的玛瑙研钵中充分研磨均匀，平铺于刚玉方舟。

（2）高温制备BCN

将刚玉方舟放入高温管式炉中进行高温制备。

（3）产物表征

1）利用X射线粉末衍射仪确定产物的晶型。

2）利用紫外漫反射确定产物的可见光吸收能力，计算带隙宽度E_g。

3）利用X射线光电子能谱（XPS）确定BCN的元素组成及成键方式。

4）利用元素分析，确定BCN催化剂的化学式。

5）利用氢能利用演示系统，对产品的光催化活性进行表征。

将制备好的样品作为光催化剂应用于光解水表征系统中。利用排水法观察是否有气体生成。通过气路控制，将生成的氢气引入氢燃料电池中进行发电，带动风扇转动。风扇转动，则表示成功合成BCN光催化剂，反之，则代表合成的产物不是良好的光催化剂。

（二）动画

动画1名称：半导体光催化剂的基本原理

动画简介：基于半导体能带理论，不同元素原子之间的相互作用形成了能级分裂，进而形成连续的能带。半导体光催化剂的带隙大小和能带位置对于光催化剂的光催化性能起着至关重要的作用。首先，催化剂的带隙宽度与光吸收能力直接相关（E_g = 1240/λ），而催化剂的带边位置（导带、价带）直接影响光生载流子的氧化还原能力。根据固体能带理论，其中被称为价带(valence band，VB) 的最高占位能带和被称为导带 (conductor band，CB) 的最低空带被带隙所分隔，价带和导带之间由禁带分开，该区域的大小称为禁带宽度，其能差为带隙能（E_g）。当一个能量较高或等于带隙能量的光子被半导体粒子吸收时，VB中的电子(e-)激发，越过禁带到CB的同时产生空穴 (h+)，即产生电子-空穴对。电子和空穴在几纳秒(和能量耗散热量)会在催化剂表面发生复合或被催化剂表面的反应物捕获从而发生反应。

动画2名称：光催化剂应用于光解水

光照后，光激发BCN半导体，生成空穴和电子，电子迁移至BCN光催化剂表面，与吸附在催化剂的表面的H⁺发生还原反应，生成H₂。

（三）实验的特色和亮点

半导体光催化技术是一种利用半导体材料将低密度的太阳能转化为高密度的化学能的新型技术。其中，高效光催化剂的研发是光催化技术的核心之一。该项目催化剂的合成涉及高温设备（1250℃），及高压氨气钢瓶的使用，潜在的危险性较大；另一方面，催化剂的表征涉及贵重大型仪器的操作；很难满足人人参与的需求。该项目充分利用了虚拟仿真的优势，较好的模拟了所有实验过程及仪器操作。