卟啉基光催化剂的制备及H2O2合成性能研究

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光催化合成过氧化氢是以半导体作为光催化剂,地球上丰富的水和氧气作为原料,可再生的阳光作为能源供应,整个过程中没有污染排放,因此具有广阔的应用前景。但是光催化剂仍存在光收集效率低、光生载流子快速复合和稳定性差等问题。卟啉衍生物由于具有较强的可见光吸收、较长的三重态寿命和较高的量子产率,目前已广泛用作光催化剂。因此,本文合成了不同结构的卟啉基光催化剂,并与类石墨氮化碳复合用于光催化合成过氧化氢,研究了不同卟啉结构材料对于光催化活性的影响。通过简单的溶剂热法制备了卟啉衍生材料POF,将其用于光催化合成过氧化氢,发现其产率较低,故通过与类石墨氮化碳(g-C3N4)材料复合提高光催化活性。g-C3N4具有合适的能带结构,导带的位置有利于O2的还原,而价带电位可以有效防止H2O2分解。将POF与g-C3N4复合形成异质结构,制备了不同比例的POF/g-C3N4复合材料,改善g-C3N4的光吸收性能,同时提高光生载流子分离效率,研究了其光催化产过氧化氢性能。结果表明,7%POF/g-C3N4复合材料具有最高的催化活性,过氧化氢产率为85.62μmol·g-1·h-1。光电化学测试结果表明,复合后材料的光生电子空穴分离效率明显提高。在进行三次循环实验后,复合材料的光催化活性可达到初始的85.4%,表明复合材料具有良好的光稳定性。机理研究表明,·OH在复合材料合成过氧化氢的过程中起主要作用。研究了不同卟啉结构对光催化性能的影响,通过多步反应合成了四醛基苯基卟啉(P)和卟啉有机笼(PB),与POF材料对比其光催化产过氧化氢活性。结果表明,PB材料具有最高的光催化活性,在纯水条件下过氧化氢产量高达675.58μmol·g-1·h-1,是P和POF材料的20倍和46倍。光电化学测试结果表明,不同卟啉结构材料均对可见光有良好吸收,其中PB具有较低的荧光强度和最长的荧光寿命,光电流响应强度最大。在进行三次循环实验后,过氧化氢产量仍保持在初始的90%以上,表明PB具有高光催化稳定性,不易受到光腐蚀。机理研究表明,PB材料主要通过电子将O2还原成·O2-,然后与溶液中的H+反应获得过氧化氢。
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