石墨相氮化碳基复合材料的构筑、表征及光催化性能研究

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在人类工业文明不断发展的现代社会,环境恶化和能源短缺已成为工业文明持续发展的重大挑战。随着科技的发展,人们发现光催化技术在处理水污染,产氢等领域显示出众多优势。因此,半导体光催化技术的出现,一定程度上给解决难题带来希望,也被认为是缓解环境恶化和能源短缺领域最具前景的技术。但TiO2、ZnO等传统的光催化剂的禁带宽度较大,仅能响应太阳光中仅占4%的紫外光,大大限制了光催技术发展与应用。因此,开发具有可见光响应、高稳定性以及优异的光生电子-空穴分离能力的光催化剂是十分有意义的。类石墨相氮化碳(g-C3N4)是一种无金属聚合物半导体光催化材料,研究发现其具有化学和物理稳定性较好、易于制备、廉价、无毒、带隙较窄(2.7 eV)以及电子结构特殊等优点,被广泛应用于光催化领域。但是,该聚合物却存在比表面积较低、光生电子-空穴易于二次复合等缺陷,严重限制了g-C3N4的光催化效率。为了提升g-C3N4的光催化性能,本论文主要将g-C3N4与其它贵金属或半导体进行复合构筑新型高效的g-C3N4基复合催化剂。主要研究内容如下:(1)Ag/g-C3N4复合光催化剂制备过程的简化与光催化性能研究。首先,本文以三聚氰胺为碳氮源,氯化铵为膨松剂,硝酸银为银源,先通过搅拌使三者完全混合,高温热处理后即可得到Ag/g-C3N4复合材料。此间,硝酸银被加热发生热分解生成Ag纳米颗粒,而三聚氰胺则在高温下发生热聚合,受氯化铵挥发影响生成了g-C3N4纳米片。经SEM和TEM表征发现,Ag纳米颗粒均匀的分散在氮化碳的表面,并可通过自身的SPR效应(表面等离子共振效应)促进g-C3N4纳米片光生电子-空穴的高效分离。此外,以RhB水溶液为模拟降解对象,系统地研究了所制备样品的光催化性能。并对该催化剂的稳定性和光催化机理也进行了深入探究。(2)两种新型的氮化碳基二元复合光催化剂的制备与研究。本文先通过热聚合法制备单一的氮化碳材料,再利用水热法将Ag2MoO4、LaFeO3等无机半导体材料与之进行复合,构筑氮化碳基二元复合光催化剂。再以罗丹明B(RhB)水溶液为模拟污染物,对复合催化剂的光催化性能进行评估,并通过自由基捕获实验对光催化剂的光催化机理进行探究。为后续石墨相氮化碳基二元复合光催化体系的构建和性能研究提供了参考。(3)氮化碳基三元复合光催化剂的制备与研究。先通过热聚合法和盐酸质子化制备得到了氮化碳纳米片,再通过溶剂热法让MOF(UiO-66)负载在氮化碳纳米片表面形成复合载体UCN,接着以原位沉积法将Cd0.5Zn0.5S沉积到MOF/氮化碳复合载体(UCN)表面。研究表明,三元复合光催化剂在光催化降解MO以及光催化产氢表现出优异的光催化性能。并通过循环实验对三元复合光催化剂的稳定性进行评测,同时对催化剂的光催化产氢和降解机理进行深入探究。
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