调控g-C3N4的带隙以及形貌来改进其光催化性能

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半导体光催化技术是一种可再生、经济、安全和清洁的技术。石墨相氮化碳(g-C3N4)光催化剂因其无毒无害、易于制备以及性能优异等特点受到了广大研究者们的密切关注,并且已在光催化分解水制氢、光催化二氧化碳还原和光催化降解等领域取得了可观的研究成果。但体相石墨相氮化碳的比表面积小、量子效率较低、光生电子-空穴对的复合过快以及生物相容性较差等缺陷,以上这些缺陷使其在应用和发展方面受到了极大的限制。因此,调控石墨相氮化碳(g-C3N4)光催化剂的带隙和形貌提高其光催化性能的研究具有十分重要的意义。本文通过掺杂微量的NCDs来抑制g-C3N4的光生电子-空穴对的复合。另外,通过掺杂不同金属Fe和Ag以调控g-C3N4的带隙来提高催化剂价带的氧化能力。其次,将二元材料g-C3N4/NCDs进行质子化处理,以加快催化剂中的电子转移速率。最后,通过测试材料的光催化降解性能,并根据实验中的客观现象和表征数据分析探究材料在反应中的催化作用、降解反应的过程以及该反应的影响因素。主要的研究结过如下:(1)以二元g-C3N4/NCDs基础材料,采用超声法和热浸渍法合成了 Ag/g-C3N4/NCDs三元复合光催化剂,并探究了不同Ag掺杂量对催化剂的晶相特征和组成结构影响以及对水体污染物甲基橙(MO)和罗丹明B(Rh B)溶液光催化降解性能的影响。通过IR、XRD、SEM、TEM、XPS和BET等各种表征结果分析发现,掺杂改性后的三元复合催化剂形状呈絮乱不规则棒状颗粒,增大了光催化剂的比表面积;PL、EIS、UV-vis-DRS和TPR等表征结果分析表明,随着Ag的掺杂,使得催化剂的带隙变窄、电子转移速率加快以及降低了光催化剂光生电子-空穴复合率,从而提高了催化剂的光催化性能。当Ag掺杂量为催化剂总质量的8%时制备的复合催化剂具有最佳的光催化性能。在400 W卤素灯照射下,50 mg的Ag/g-C3N4/NCDs催化剂可以降解50 mL浓度为20 mg/L的水体污染物甲基橙和罗丹明B溶液,降解率均可达99%。(2)以三聚氰胺为基础原料热解制备g-C3N4,尿素和柠檬酸为原料制备得到氮掺杂碳量子点(NCDs),对g-C3N4与NCDs水溶液的混合物在实施了水热法复合,先制备出了 NCDs修饰改性的g-C3N4系列材料并优化获得了光催化降解性能最佳的g-C3N4/NCDs二元材料;然后在上述基础上以硝酸铁水溶液超声和热浸渍法复合制备出g-C3N4为基的新型三元光催化剂—3D Fe3+/g-C3N4/NCDs纳米棒。该新型复合材料的微观形貌、晶相和组成结构特征通过SEM、TEM、EDS、XRD、IR、XPS和BET测试并得到了确认。通过各种测试分析表明该催化剂在降解甲基橙(MO)方面有着很高光催化活性。结果表明,掺杂质量比为2%的NCDs和4%的Fe的三元催化剂在可见光照射下,降解甲基橙(MO)的降解速率分别是二元和单元的3.4倍和18.75倍。g-C3N4的光催化性能的提升可归因于NCDs独特的上转换特性、光诱导电子转移特性以及出色的量子限域效应,使催化剂的可见光吸收能力增强,降低电子-空穴对的复合。另外,Fe物质的掺杂不但调控了 g-C3N4的能带结构,而且具有实现类芬顿反应的电势,从而极大的提高了 g-C3N4的光催化活性。通过自由基猝灭实验和EPR测试检测到·OH和·O2-在降解过程中是主要的活性物种。此外,为了评估该催化剂的普遍适用性,选择了其他5种水体污染物作为研究对象。结果表明,该催化剂在光催化降解领域具有普遍适用性。(3)通过水热法和质子化方法制备了结构改性的P-g-C3N4/NCDs复合材料。通过SEM和TEM分析表明,质子化后的催化剂晶体结构得以保持,质子化后,P-g-C3N4/NCDs发生一定程度的剥离,形成纳米颗粒。此外,质子化处理后粒径减小,团聚得到抑制。由于大的比表面积、丰富的孔结构。使复合材料具有优异的吸附能力、光生载流子的分离以及合适的能带结构。P-g-C3N4/NCDs在初始浓度为20mg/L,可见光照射下120分钟,降解MO达到了 98.2%,降解速率是体相g-C3N4的10.6倍。另外,降解同样浓度的Rh B,80 min后,降解效率更是达到100%,降解速率是体相g-C3N4的6.9倍。
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