论文部分内容阅读
在环境严重污染和能源紧张的今天,如何有效治理环境、缓解能源危机,实现可持续发展已成为重要的研究课题。光催化材料与技术能够利用自然界取之不尽的太阳能,在温和条件下进行污染物降解和能量转化,为解决能源环境问题提供了新的途径。然而,传统的以 TiO2为代表的紫外光响应光催化材料因对太阳光能量利用不足(<5%)发展受到了限制。因此,窄带隙可见光响应光催化材料逐渐成为研究的热点。 本文以类石墨氮化碳(g-C3N4)、多元氧化物InVO4两种典型的窄带隙半导体为研究对象,针对传统固相法所制备材料比表面积低、光生载流子易复合等问题,采用水热方法,通过质子化处理、表面活性剂辅助等手段分别制备了g-C3N4多孔块体及InVO4多孔微球,并选用廉价易制备的碳量子点与其复合,以促进单一窄带隙半导体光生电子、空穴有效分离,提高光催化性能。主要研究内容和结论如下: (1)基于g-C3N4两步质子化工艺,采用一步水热法制备了g-C3N4/C-dots复合材料,并进行结构性能表征。结果表明:C-dots较为密集地覆盖于g-C3N4表面,C-dots的引入减少了g-C3N4光生电子和空穴的复合,时间分辨荧光衰减光谱和电子顺磁共振谱均表明光生载流子分离效率和界面转移能力明显高于单一g-C3N4。g-C3N4/C-dots复合材料表现出优于单一g-C3N4的可见光催化性能,尤其是在H2O2存在的条件下,C-dots对g-C3N4光催化活性的增强作用更加明显,其原因主要是由于C-dots密集覆盖在g-C3N4表面,光生电子会在复合材料表面富集,此时光催化活性主要依赖于电子与催化体系中O2的作用生成活性基团,而加入H2O2后可加大对光生电子的利用,生成具有高氧化性的羟基自由基。 (2)基于g-C3N4两步质子化工艺,采用恒温水浴回流法制备了C-dots修饰g-C3N4复合材料,并进行结构性能表征。结果表明:C-dots分散负载于g-C3N4表面,有效促进了光生电子和空穴的分离,并使C-dots与g-C3N4同时暴露于外部环境,从而加大了对光生电子、空穴的利用,显著提高了光催化反应活性。此时,g-C3N4/C-dots复合材料光催化反应活性与水热法所制备g-C3N4/C-dots复合材料在引入H2O2后的反应活性相当。随着C-dots含量的增加,g-C3N4/C-dots复合材料的光催化活性先增大而后减小,可见光降解甲基橙染料的一级反应速率常数k最高值为0.392h-1,是单一回流g-C3N4的2.5倍。 (3)以InCl3·4H2O和NH4VO3为前驱体,采用表面活性剂辅助水热法制备正交相InVO4多孔微球,然后通过恒温水浴回流法制备了多孔InVO4/C-dots复合材料,并进行结构性能表征。结果表明:随着C-dots含量的增加,复合材料的比表面积呈现先增大后减小的趋势,最高可达18.549m2/g。多孔InVO4/C-dots复合材料的量子效率明显优于单一InVO4,表现出优异的可见光催化性能,且随着C-dots含量的增加,复合材料的光催化性能呈现先增大后减小的趋势,其光催化分解罗丹明B的一级反应速率常数k最高可达0.085h-1,为单一InVO4的2倍。多孔InVO4/C-dots产生的·O2-活性基团使罗丹明B整个发色基团结构破坏断裂是其光催化分解的主要原因。