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根据g-C 3 N 4 的分子结构理论，在氮化碳的5种相结构（β-g-C 3 N 4 、α-g-C 3 N 4 、c-g-C 3 N 4 、pc-g-C 3 N 4 和g-C 3 N 4 ）中，预计g-C 3 N 4 在常温常压下最稳定，并且，g-C 3 N 4 的结合能最低。就目前实验条件来说，研究人员仅能制备石墨型氮化碳，而对于其他相制备结果，仍存在许多争议 ［1］ 。顾名思义，因为石墨型氮化碳具有类似于石墨的层状结构，故取名于石墨型氮化碳，其层间距为0.326 nm。但是，对于g-C 3 N 4 的基本结构单元来说，又存在triazine和tri-s-triazine两种争论，如图1-1所示 ［2］ 。Kroke等 ［2］ 根据密度泛函理论（DFT）计算发现tri-s-triazine的结合能比triazine的结合能小30kJ/mol，且结构更稳定，因此，一般认为tri-s-triazine为g-C 3 N 4 的基本结构单元。
图1-1 g-C 3 N 4 的两种可能的结构单元组成
近年来，因聚合物半导体石墨相氮化碳（g-C 3 N 4 ，图1-2）具有独特的半导体能带结构和优异的化学稳定性，并被作为一种不含金属组分的可见光光催化剂引入光催化领域，引起人们的广泛兴趣 ［3-5］ ，常用于光催化有机合成、光解水产氢、光催化降解有机污染物等。由于g-C 3 N 4 既廉价稳定、符合研究人员对光催化剂的基本要求，同时又具备聚合物半导体的化学组成和能带结构易调控等特点，目前被公认是光催化研究领域尤其是光催化材料领域值得深入研究的主要方向之一 ［6］ 。
图1-2 g-C 3 N 4 两种可能的化学结构
氮化碳独特的分子结构决定了其特殊的理化性能，不同物相的氮化碳，其理化性能各不相同，范乾靖等 ［1］ 报道了石墨相氮化碳的理化性质。g-C 3 N 4 的结构与石墨具有相似性，其层与层之间的范德华力，导致其具有良好的化学稳定性和热稳定性。主要表现在空气中将g-C 3 N 4 加热至600℃也不分解，g-C 3 N 4 不溶于水、丙酮、乙醇、N，N-二甲基甲酰胺和二氯化碳等常见的无机及有机溶剂。另外，g-C 3 N 4 还同时具有耐强酸和强碱的能力，其在HCl溶液（pH=1）和NaOH溶液（pH=14）中依然稳定存在 ［7］ 。此外，因g-C 3 N 4 具有优良光电特性，常被用作半导体材料 ［8］ 。氮化碳固体带宽为2.7eV，其对紫外可见光的吸收波长约在420nm。制备条件不同，包括反应前体的选择、煅烧温度的控制等，对氮化碳的截止吸收波长稍有影响。g-C 3 N 4 能产生蓝色荧光，其最强荧光峰为470nm，荧光寿命在1~5ns范围内。因g-C 3 N 4 具有半导体特性，而成为具有新型太阳能转换材料的潜力，例如，做光电化学电池材料等。g-C 3 N 4 与TiO 2 的价带和导带位置的对比如图1-3所示 ［9］ 。图1-3显示g-C 3 N 4 的价带和导带的位置完全覆盖了水的氧化-还原电位，所以，从理论上讲，g-C 3 N 4 不仅可以还原水制得氢气，又可以氧化水制得氧气。
图1-3 g-C 3 N 4 和TiO 2 的电子带隙结构对比图
实际来讲，人工合成理论预测g-C 3 N 4 的结构，依然为一项巨大挑战。到目前为止，在实验室中制备的g-C 3 N 4 与理想的无限延伸的网状g-C 3 N 4 相比，仍有一定差距，许多的结构缺陷依然存在，并含有一定量数的氢。但是，这种缺陷又恰好使g-C 3 N 4 的结构边缘含有氨基，因而具有更高的活性，因此，研究人员把研究侧重点由制备转移到了g-C 3 N 4 的应用上。然而，就目前来说，氮化碳研究的重点课题是探索具有理想结构氮化碳的合成路线。