廉价金属碳氮基复合材料的合成及其光催化性能研究

来源 :中国石油大学(华东) | 被引量 : 0次 | 上传用户:bowangmosong1
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光催化作为解决环境污染和能源短缺问题的潜在技术之一,近年来受到越来越多的关注与研究。光催化研究的主要问题便是如何将取之不尽的太阳能有效利用来进行多种催化反应,这就意味着需要设计、合成高效的光催化剂。因此本论文以廉价易得的过渡金属盐及富氮前驱体为原料,制备了金属掺杂的碳氮材料及金属氧化物和氮化碳的复合材料,将其应用到光催化氧化领域,并进一步探究了光催化氧化的机理及其催化氧化的影响。首先,选用价格低廉的两种原料简单地两步程序煅烧制备了金属碳氮材料(M-N/C)。这类材料具有类似金属卟啉、金属酞菁及其衍生物等的结构特征,即环状分子中四个氮原子与过渡金属离子形成了M-Nx的结构,而这种M-Nx结构也被认为是很多催化氧化反应的活性中心。本论文中选用过渡金属盐柠檬酸铁与富氮前驱体双氰胺在高温下煅烧制备了Fe-N/C-x材料,双氰胺热解生成的g-C3N4不仅是引导杂化材料形成不同形状和结构的自我牺牲模板剂,也是制备掺氮碳材料的氮源和碳源。通过控制煅烧温度的不同可以得到不同形貌的材料,煅烧后的材料中形成的Fe-N/C键可作为活性中心,有效地吸附并活化氧气,在光催化氧化1,5-DHN中显示出了优异的催化性能。其次,利用廉价过渡金属盐对传统光催化剂g-C3N4的改性。g-C3N4作为一种有机共轭半导体,具有独特的π电子特征和良好的表面特性,本身便可在有机合成中用作活化分子氧的光催化剂。但是,g-C3N4光催化剂受到其相对较低的电荷迁移率和对太阳光吸收不足的限制,光催化~1O2的选择性和效率仍然不能令人满意。因此,需要改性g-C3N4半导体的质地和电子结构,以改善其光催化性能。Zn(II)可以掺入多种材料骨架中,已知的一类是Zn型层状双氢氧化物(例如Zn Al-LDH,Zn Cr-LDH和Zn Ti-LDH)已用作光催化剂。因此本论文将源自锌的LDH的结构和性能优势应用于g-C3N4材料,制备了基于g-C3N4的复合纳米材料ZnO/CN-x。研究发现,复合后的催化剂中Zn-N的形成,可以显著降低?EST值提高ISC过程,从而大大提高~1O2生成的效率,并同时抑制其他ROS的产生,同样在光催化氧化1,5-DHN中120 min时可达到70%的胡桃醌产率。
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