类石墨相氮化碳的改性制备及其光催化性能研究

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近年来,以可再生的太阳能为驱动力,利用光催化技术净化和修护水体环境,具有良好的发展前景和重要意义。类石墨相氮化碳(g-C3N4)因其制备成本低和独特的热稳定性而成为光催化领域的明星材料。但纯g-C3N4存在易团聚、比表面积小和可见光吸收范围窄等问题使其在光催化领域的发展中备受困扰。基于此本文通过形貌调控和构建异质结对氮化碳进行改性,特别是构建具有高效的电子转移特性及高氧化还原能力的新型Z型异质结的方法策略。该研究提供了一种能有效处理污染物的高活性光催化体系。具体内容如下所示:(1)以双氰胺为主要原材料,由十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)形成的空间位阻效应和Na OH提供的碱水热环境造成氮化碳边界缺陷的协同改性方法,制备出规则形态的六棱柱氮化碳(CN-3)。通过扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X-射线衍射(XRD)和红外光谱(FT-IR)等相关表征分析,深入研究由块状到棱柱结构氮化碳的演变过程。根据比表面积(BET)测试并结合瞬态光电流响应和莫特-肖特基(Mott-Schottky)曲线等电化学相关测试结果,发现CN-3较纯CN增大了比表面积,电荷迁移速率加快;通过活性物种实验详细说明光生电子-空穴的转移路径;降解模型污染物甲基橙(MO)的实验发现,CN-3催化剂的降解率是纯氮化碳的2.97倍,提高了光催化活性。(2)以双氰胺和柠檬酸为原材料,采用“高温聚合-水热”的简单方法制备出了在氮化碳结构单元内部含有O元素和N缺陷的改性氮化碳(N-OCN),当N-OCN和硫化镉(Cd S)质量比为1.5:1时,其复合催化剂的吸收带边缘较大程度地延长了可见光的吸收范围,增强了光响应能力。以MO为降解污染物模型,考察了N-OCN/Cd S复合催化剂的光催化活性降解机制,结果表明N元素缺陷和O元素掺杂有助于抑制光生电子-空穴的复合,光催化活性得到增强。(3)以N-OCN催化剂为研究对象,利用表面活性剂CTAB具有的改变氮化碳表面能的作用制备出带有正电荷性质的球状催化剂(CNN)。通过静电吸附作用将CNN和Cd S紧紧耦合在一起,合成出具有较高催化活性的新型Z型异质结的CCS复合光催化剂。采用多种表征手段对其形貌、可见光吸收能力、比表面积及光生载流子传输速率和寿命情况等方面进行详细分析。根据降解MO实验和活性物种实验得出的结果,发现CCS复合催化剂获得了更大的接触面积和丰富的电荷传输通道,并缩短了电荷传输距离,延长了光生载流子的寿命从而提高了光催化活性。
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