MoS2/g-C3N4光催化剂的制备及其还原U(Ⅵ)的性能及机理初探

来源 :东华理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:ivwsige
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核能可提供低成本电能并可有效减少温室气体的排放。但是,核燃料的生产及后处理过程会产生大量含铀放射性废水。水溶液中U主要以U(Ⅵ)和U(IV)存在,U(Ⅵ)具有高水溶性、高迁移性;而U(IV)易形成难溶的氧化物,因此将U(Ⅵ)还原为U(IV)可有效降低铀的毒性及迁移性,从而减少铀对水体的污染。光催化法以其环境友好,条件温和,价廉高效等优点广泛用于还原U(Ⅵ)的研究。高效光催化剂的设计与制备是有效还原U(Ⅵ)的关键。非金属半导体石墨化氮化碳(g-C3N4)具有2.7 e V的中等带隙,对应的光学波长为460 nm,使其在可见光下有效。除了合适的带隙位置外还具有无金属制备简单等优点,且已成为近年来光催化还原U(Ⅵ)的研究热点。但是,单一的g-C3N4比表面积低,光生电子-空穴对复合率高,可见光利用率及量子产率低,且从溶液中分离g-C3N4光催化剂困难。因此,迫切需要合成具有更高光催化活性的改性g-C3N4基杂化体。基于上述问题,本文拟采用高比表面积、强光捕获能力的超薄MoS2纳米片与g-C3N4构建复合半导体光催化剂解决g-C3N4比表面积低,光生电子-空穴对复合率高、不易回收等不足,同时采用磷、硼掺杂解决可见光利用率及量子产率低的问题。本论文具体研究内容如下:(1)采用煅烧法和超声法制备了MoS2复合g-C3N4。通过XRD、TEM、XPS、UV-vis等一系列表征对MoS2/g-C3N4光催化剂进行分析。通过将二硫化钼引入g-C3N4中以降低其光催化材料的带隙宽度,并且提高了光生电子-空穴对的分离效率和载流子迁移率。机理研究结果表明:二硫化钼的掺杂有利于光生电子-空穴对的迁移和分离,能够有效的抑制光生电子-空穴对的复合,并且可以降低g-C3N4的禁带宽度,提高光催化活性。光催化还原U(Ⅵ)的实验研究结果表明,二硫化钼的掺杂能够显著提高样品对于U(Ⅵ)的光催化降解性能,其中,3%MoS2/g-C3N4样品材料的活性较好,速率比g-C3N4提高了2.5倍,在60 min内的降解率可达到95%。(2)采用先水热与后煅烧的方法合成了P掺杂g-C3N4,并通过超声的方法与MoS2复合。通过XRD、TEM、XPS、UV-vis等一系列表征对MoS2/P-g-C3N4光催化剂进行分析。分析结果显示,P进入g-C3N4骨架的杂元素掺杂或空位缺陷可显著控制其电子结构并增强可见光下的光催化活性。光催化还原U(Ⅵ)实验结果表明,MoS2/P-g-C3N4的光催化活性要明显的优于g-C3N4,其中,3%MoS2/P-g-C3N4样品材料的活性较好,速率比g-C3N4提高了4倍,在40 min内的降解率可达到93%。通过光电流实验和电化学阻抗实验表明,MoS2/P-g-C3N4光催化剂的电子-空穴对的复合得到有效的抑制,从而有助于光催化活性的提高。该催化剂成本低廉,对环境友好,是光电化学中潜在的候选者。(3)所制备出的二硫化钼掺杂B-g-C3N4,显示出对U(Ⅵ)高效的光催化活性。通过XRD、TEM、XPS、UV-vis等一系列表征对MoS2/B-g-C3N4光催化剂进行分析。其中,由于高B元素掺杂,增强的可见光吸收和改善的电荷分离,该催化剂成本低廉,对环境友好,是光电化学中潜在的候选者。光催化还原U(Ⅵ)的实验研究结果表明,二硫化钼掺杂B-g-C3N4能够显著提高样品对于U(Ⅵ)的光催化降解性能,其中,3%MoS2/B-g-C3N4样品材料的活性较好,速率比g-C3N4提高了9倍,在20 min内的降解率可达到95.7%。上述研究结果为今后光催化还原U(Ⅵ)方向提供了理论和实验依据,也为未来光催化还原U(Ⅵ)提供技术支撑。
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