类石墨相氮化碳基复合纳米光催化体系构筑及可见光降解染料性能研究

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随着经济与社会的发展,水资源污染越来越严重,染料的大量使用更是加剧了水资源的短缺。染料废水不仅对水资源造成严重破坏,对人体健康也构成一定的威胁。出于民生和发展角度来说,必须对染料废水进行严格的处理。除了避免染料废水的乱排放,还要利用有效的科学技术来解决当前已造成的染料污染。本文对目前国内外染料废水处理技术进行简单分析与归纳总结,提出了最近在环境与能源领域比较热点的光催化方法。光催化方法有高效、绿色环保、操作简单等优点,对未来解决有机物污染有着广阔的前景。具有适当的带隙、优异的稳定性和成本低等特点的非金属聚合物半导体氮化碳(g-C3N4)已经引起了科学家们广泛关注。然而,较低的量子效率极大地限制了g-C3N4的实际应用。可以将g-C3N4与合适的光催化剂复合构建异质结。异质结的形成有利于光生电荷的转移与分离,抑制光生电子和空穴的复合从而提高其量子效率。本论文采用水热法制备了g-C3N4/CdWO4、MnWO4/g-C3N4、g-C3N4/O-doped ZnIn2S4三种异质结并通过降解染料来评价其光催化效果。取得的成果主要有以下三个方面:(1)利用水热法制备了g-C3N4/CdWO4纳米复合材料,通过一系列表征证明了棒状CdWO4均匀地负载在层状g-C3N4表面。异质结的形成有利于g-C3N4表面光生电子和空穴的分离,让更多的活性物种参与有机物的氧化还原反应,从而提高其光催化活性。当异质结中CdWO4的含量为20%时,复合材料表现出最好的降解效果,在180 min可见光下对罗丹明B的降解率为94%,表现出了很好的脱色效果。经过四次循环后,异质结对罗丹明B的降解没有明显地降低依,证明了异质结良好的稳定性。通过捕获实验和ESR表征实验我们提出了g-C3N4/CdWO4的降解机理。(2)通过水热法合成了MnWO4/g-C3N4纳米复合材料,通过一系列表征证明了花状MnWO4均匀地负载在层状g-C3N4表面。当MnWO4的负载量为10%时,复合光催化剂的活性最高,分别是纯g-C3N4和MnWO4降解率的2.3倍和12.7倍。可见光下,10%MnWO4/g-C3N4异质结在4 h可见光下内对罗丹明B的降解率为73%,表现出了很好的脱色效果,经过四次循环实验,异质结的光催化活性没有明显地降低,表现出了催化剂良好的稳定性,有利于工业应用。通过捕获实验和ESR表征实验我们提出了MnWO4/g-C3N4的降解机理。(3)通过水热法制备了g-C3N4/O-doped ZnIn2S4纳米复合材料,通过XPS证明了Zn In2S4中晶格氧的存在。HRTEM验证了片状氧掺杂的Zn In2S4成功地负载在层状g-C3N4的表面。当g-C3N4的负载量为20%时,复合材料对罗丹明B表现出了最好的降解率。在20 min可见光下,20%g-C3N4/O-doped Zn In2S4对罗丹明B的降解率为97%,表现了很出色的降解效果,且在四次循环后降解效果没有明显地降低,体现了光催化剂良好的稳定性。
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