石墨相氮化碳及其复合物的制备与光催化、场发射性能研究

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石墨相氮化碳(g-C3N4)具有物化性质稳定、生物相容性好等特点,另外其具有合适的导带及价带位置,凭借这些优势,g-C3N4在光催化领域显现出广阔的应用前景。然而,比表面积小、光生载流子易复合、可见光利用率低等缺点严重限制了其光催化性能。因此,本文通过制备g-C3N4纳米片,增大其比表面积、促进载流子的迁移,并分别通过水热法和高能微波法将g-C3N4与Zn O复合,提高g-C3N4光生载流子的分离效率。另外,g-C3N4被发现具有优异的场发射性能,但是如何继续降低开启电场、增大发射电流,以满足实际应用的需求仍有待探索。本文将g-C3N4与Zn O复合,形成多级发射结构,不仅能够提高场增强因子,而且能够增加额外的发射位点,从而提升整体的场发射性能。具有的研究内容如下:(1)将三聚氰胺和硝酸溶液作为原料,通过水热预处理再煅烧的方法,实现了氮化碳纳米片(ACN)的制备。本文中,利用不同浓度的硝酸溶液,分别制备了体相g-C3N4(BCN)、ACN-0.25、ACN-0.5和ACN-1.0样品。实验结果表明,相比于BCN,ACN的禁带宽度有所增大,由BCN的2.63 e V增加至ACN-1.0的2.68 e V。此外,相比于BCN,ACN的光生电子空穴对的分离效率得到显著的提高。在光催化降解Rh B溶液的实验中,ACN的光催化性能显著提高,其中ACN-0.5的光催化性能最好,反应6 min后对Rh B溶液的降解率达到97.2%,其准一级动力学常数为0.5864 min-1。在场发射测试中,ACN显示了优异的场发射性能,ACN-0.25、ACN-0.5和ACN-1.0的开启电场分别为1.57、0.33和0.79 V/μm,对应场增强因子分别为2693、26833和5689,ACN-0.5优异的场发射性能主要来自其具有均匀排布和垂直取向的纳米片结构。(2)通过对ACN样品超声处理获得氮化碳纳米片,将其与二水合乙酸锌作为原料,通过调整两者之间的质量比,利用水热法成功制备了不含Zn O的对比样ACN-H,以及不同复合比例的ACN/Zn O产物,分别为ACN/Zn O-2%、ACN/Zn O-6%和ACN/Zn O-10%。实验结果表明,在水热复合后产物中ACN仍然保持纳米片形貌,Zn O呈现颗粒状,并与ACN形成紧密接触。在与Zn O复合后,ACN的面内结晶性得到增强,XRD谱图中出现氮化碳(200)晶面的衍射峰。相比于ACN,随着ACN/Zn O样品中Zn O比例的增加,光生电子空穴对的分离效率逐渐提高,样品的光催化性能也随之逐渐提高。其中,ACN/Zn O-10%的性能最好,其准一级动力学常数是ACN-H的2倍。在场发射测试中,ACN-H、ACN/Zn O-2%和ACN/Zn O-6%的开启电场分别为1.42、0.79和0.64 V/μm,阈值电场分别为3.14、2.01和1.39 V/μm。相比于ACN-H,ACN/Zn O复合样品场发射性能明显提高。(3)将不同比例的三聚氰胺和二水合乙酸锌作为原料,将碳纤维作为微波吸收剂,利用高能微波法原位合成了不同复合比例的GCN/Zn O产物,分别为GCN、GCN/Zn O-2%、GCN/Zn O-6%和GCN/Zn O-10%。产物中GCN呈现纳米片形貌,Zn O则主要呈现为颗粒状并依附在GCN纳米片上,两者紧密接触,构成异质结。Zn O的加入使GCN在微波合成中积累较大的内应力,因此GCN纳米片出现较多的断裂破碎,带隙也相应减小。在Zn O比例增加至10%时,复合产物中出现部分块体结构的Zn O。相比于GCN,随着GCN/Zn O样品中Zn O比例的增加,光生电子空穴对的分离效率逐渐提升,这来自GCN与Zn O之间异质结的作用,GCN/Zn O样品的光催化性能也显著提高。在场发射测试中,相比于GCN,GCN/Zn O的场发射性能明显提升。其中GCN/Zn O-6%的场发射性能最好,其开启电场和阈值电场分别为0.63和1.3 V/μm,场增强因子约为12106。
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