g-C3N4基纳米复合材料的制备及光催化降解染料的性能研究

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随着科技的高速发展,工业和人类活动会排放大量难降解的有机污染物、重金属离子和放射性核素到自然环境中,对环境造成严重污染。光催化是一种环境友好的技术,是降解许多有机污染物的一种绿色高效的方法。石墨相碳氮化物(g-C3N4)在环境污染物的净化方面表现出优异的性能,引起了广泛关注。然而,g-C3N4存在一些缺陷,如较低的比表面积、有限的光吸收、量子限制效应等抑制了其光催化活性。通过g-C3N4和半导体进行复合构建异质结是一种提升其光催化降解性能的高效方法。本论文中通过形貌修饰和构建异质结的方法对g-C3N4基材料进行改性,提高其光生载流子分离和迁移率,本论文主要研究内容如下:(1)通过煅烧法制备Zn3V2O8,再通过一锅法将Zn3V2O8和g-C3N4进行复合,最终构建了Z型异质结Zn3V2O8(x)/g-C3N4(x=40、60、80 wt%,x:Zn3V2O8与g-C3N4质量百分含量)二元复合材料,通过XRD、SEM、TEM、BET、FT-IR、UV-Vis DRS、PL和光电化学测试等一系列的表征方法对样品进行分析,证明了异质结的构建成功且有效促进光生电子-空穴对的分离和迁移,复合样品具有优异的光催化性能与光学稳定性。其中以Zn3V2O8质量分数为60 wt%时,Zn3V2O8(60)/g-C3N4的光催化性能最佳。在模拟太阳光的条件下,Zn3V2O8(60)/g-C3N4 120 min对染料罗丹明B(Rh B)的降解率达91%,纯g-C3N4仅能达到57%。(2)通过热聚合法将g-C3N4转为纳米片g CNNS和水热得到的Co WO4进行复合,最终制备得到不同比例的Co WO4(x)/g CNNS(x=20、30、40、50 wt%,x:Co WO4的质量百分含量)复合材料,通过XRD、SEM、TEM、BET、UV-Vis DRS、PL和光电化学测试等表征方法对样品进行分析,结果表明g-C3N4形貌改性为g CNNS纳米片后的比表面积得到大幅度提升,为光催化反应提供更多的活性位点,异质结的形成降低了电子-空穴对的复合速率,拓宽了可见光的响应区域,提高了g-C3N4的光催化性能,Co WO4百分含量为40 wt%时,Co WO4(40)/g CNNS光催化性能最佳,在模拟太阳光的条件下,对染料罗丹明B(Rh B)进行降解,40 min Co WO4(40)/g CNNS降解率达100%,通过活性物质淬灭实验揭示了参与Co WO4(x)/g CNNS光催化降解过程的活性组分主要是·OH和·O2-。(3)通过简单的溶剂热法将半导体MoO3、Bi OI与g-C3N4复合,最终构建双Z型异质结Bi OI(x)/MoO3/g-C3N4(x=6.25、12.50、18.75、25.00 wt%,x:Bi OI的质量百分含量)三元复合材料,从HRTEM与XRD表征结果表明Bi OI/MoO3/g-C3N4复合材料成功复合。UV-Vis DRS表面了复合样品的带隙变窄,光学响应范围增强,PL和光电化学测试表征说明了异质结的存在有效延缓了电子和空穴的复合,在模拟太阳光条件下对染料甲基橙(MO)进行降解并研究其光催化活性,Bi OI(18.75)/MoO3/g-C3N4具有最优异的光催化性能和光学稳定性,120 min对30 mg/L MO的降解率达94%,是纯g-C3N4的3.6倍。ESR表征说明了Bi OI/MoO3/g-C3N4光催化降解的主要活性物质组分为·OH和·O2-,并通过计算Bi OI、MoO3和g-C3N4的价带和导带位置,表明了三种物质是能带交错结构。
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