论文部分内容阅读
光催化技术在应对化石能源消耗及生态环境保护方面具有良好的应用前景,石墨相氮化碳(g-C3N4)是一种可见光催化剂,其在光催化降解污染物、光催化制氢等方面都表现了良好的性能。然而,g-C3N4也存在比表面积小、量子产率低等缺陷,限制了其实际应用。为了提升g-C3N4的光催化性能,将其与其它半导体材料复合形成复合材料是一种非常有效的方法。本文以g-C3N4为基体,将其分别与氧化锌(ZnO)、氯化银(AgCl)、硫化银(Ag2S)、铁酸铋(BiFeO3)复合形成了三元复合材料。采用X射线粉末衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)、荧光光谱(PL)、紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)、光电化学测试(PEC)和N2吸附脱附测试对制备而成的三元复合材料进行表征。通过使用上述三元复合材料光催化降解罗丹明b(RhB)、酸性橙Ⅱ(AOⅡ),考察了三元复合材料的光催化降解性能,主要研究内容如下:(1)回流搅拌合成三元复合材料x-AgCl/g-C3N4/ZnO(x=4.3、8.3、12、15.3 wt%,x:AgCl的质量百分含量)。XRD、SEM、TEM分析结果表明:x-AgCl/g-C3N4/ZnO复合材料的微观形貌呈现为紧密堆积的纳米棒状结构,纳米棒之间存在孔隙,可观察到清晰的晶面条纹,表明材料结晶度良好。XPS分析进一步证明了材料表面存在Zn2+、Ag+、Cl-,C1s分析结果表明存在C-N键、N=C-N键。UV-Vis DRS吸收光谱显示随着x的数值增大,x-AgCl/g-C3N4/ZnO催化剂的吸收边逐渐红移。可见光照射60 min,x-AgCl/g-C3N4/ZnO对RhB的降解率均超过90%。综合PL、PEC、BET的分析结果可知:x-AgCl/g-C3N4/ZnO的光生电子(e-)-空穴(h+)复合率相对于g-C3N4更低,比表面积更大,光催化降解活性更好。考察在不同回流搅拌时间、温度等制备参数对x-AgCl/g-C3N4/ZnO的光催化性能的影响。最后,通过淬灭实验揭示了参与x-AgCl/g-C3N4/ZnO光降解过程的主要活性自由基组分为(h+)、·O2-,进而解释了该过程的光催化机理。(2)通过超声沉积-沉淀制备x-Ag2S/g-C3N4(x=10、20、30、40 wt%,x:Ag2S的质量百分含量)纳米颗粒,再与ZnO机械搅拌复合制备了一批x-Ag2S/g-C3N4/ZnO三元复合催化剂。XRD、SEM、TEM分析结果表明:x-Ag2S/g-C3N4/ZnO复合材料呈现为纳米块状团聚结构,纳米块间存在夹缝,且可观察到清晰的晶格条纹,由此表明该复合材料具有较高的结晶度。XPS分析进一步确定了材料中Zn2+、Ag+的存在,PL、PEC分析结果说明复合材料中光生电子(e-)-空穴(h+)复合率的降低,是其光催化性能提高的关键。在光降解实验中,随着x的数值增大,x-Ag2S/g-C3N4/ZnO对RhB降解率逐渐提高,40 wt%Ag2S/g-C3N4/ZnO具有最佳降解活性,降解率达到98%。(3)通过在BiFeO3上复合Ag2S形成20 wt%Ag2S/BiFeO3二元复合材料,随后和不同质量的g-C3N4复合形成x-g-C3N4/20 wt%Ag2S/BiFeO3(x=0.15、0.2、0.25、0.3g,x:g-C3N4的质量)光催化剂。XRD、SEM分析表明:随着g-C3N4质量增加,复合材料中g-C3N4对应衍射峰的强度逐渐增强,样品的微观形貌为多层纳米块,存在较明显的狭缝,可对光照进行多次折射,提高光利用率。在光催化性能测试实验中,x-g-C3N4/20 wt%Ag2S/BiFeO3复合材料的对RhB的降解活性随着g-C3N4质量增加先增大减小,其原因可能与g-C3N4的复合量有关,导致材料的比表面积先增大后减小。