石墨相氮化碳的改性及其降解环境中有机污染物的研究

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随着社会经济的发展和人们生活水平的发展提高,健康成为了日常中人们最关心的问题之一。然而水环境中日益增长的新型的污染物尤其是持久性有机污染物却在无时无刻的威胁着人民的健康。所以开发绿色高效的技术手段来解决环境问题就成为了科研工作者面临的重大课题。太阳能是拥有着巨大的应用潜力的清洁能源,而光催化技术可以实现太阳能和其他能量形式的转换和利用,可以在常规可控条件下驱动一系列的化学、生物反应(有机污染物分解矿化、光解水制氢和光致细菌失活等),在解决环境污染和能源短缺问题上有着其他技术所无法比拟的优势。其中利用光催化技术将环境中的持久性有机污染物进行催化降解是光催化技术在环境领域的重要应用之一。传统的光催化材料由于其禁带宽度较大,对太阳能的利用率很低。石墨相氮化碳(g-C3N4)是一种富电子的有机半导体,其带隙能为2.7eV,可以作为紫外和可见光下催化析氢和析氧的非金属光催化剂,并且g-C3N4不仅抗酸、碱、光的腐蚀,具有很好的结构稳定性,而且结构和性能易于调控,因此g-C3N4可以被广泛地应用于有机污染物的光降解应用研究。然而单独的g-C3N4也存在着一些天然缺陷,首先g-C3N4的能带间隙能2.7eV,只能对波长小于450nm的太阳光产生响应,此外在g-C3N4的光催化过程中光生电子-空穴对容易复合,对外不表现催化作用。本研究主要针对g-C3N4的不足之处利用掺杂、复合以及形貌的调控等方法对g-C3N4进行改性研究。并对所制备的材料进行了光电性能以及形貌特性的表征,同时探究了材料对环境中存在的持久性的有机污染物光催化降解应用。本研究的主要内容如下:(1)在块状g-C3N4的合成方法上加以改进,成功的通过对原料的简单的改变以及磷元素掺杂的方法制备得到泡沫状的磷掺杂g-C3N4(P-CN)。并用一系列的手段对所制备材料的特性进行表征,并通过在可见光的照射下对环境中常见的持久性有机污染物有机染料RhB(RhB)进行降解实验,来验证材料的光催化性能。实验结果表明实验所制备的P-CN在催化剂浓度为1g/L,RhB初始浓度为10ppm的条件下,对RhB的降解速率为原始块状g-C3N4的18倍,为未掺杂磷元素仅改变制备原料的g-C3N4的4倍。(2)针对g-C3N4在光催化应用方面的缺陷进行进一步的改进,将所制备的P-CN与另外一种性能优良的光催化剂碘氧化铋(BiOI)进行不同比例的复合制备性能更加优良的复合光催化剂,同时采用一系列的手段对所制备的复合材料进行表征。并将所合成的复合材料用于在可见光的照射下对水中的RhB进行降解。实验结果表明当复合材料中的P-CN的含量为6%时复合材料表现出最强的对RhB的催化降解能力。通过对降解过程中的活性基团进行研究发现,羟基自由基(·OH)与光生空穴(h+)作为主要的活性基团参与到反应中去。(3)在上述研究的基础上,尝试通过对催化剂材料的形貌的可控改变去提高催化剂的光催化性能,并成功的利用高温层间氧化技术制备得到了磷掺杂纳米片状的氮化碳(Ns-P-C3N4)。并利用所合成的材料成功地在可见光照射下对水中存在的双酚S(BPS)进行了降解,实验结果表明P-Ns-C3N4表现出可以有效的将水中的BPS降解矿化的很强的催化性能。在对降解过程中的活性基团进行研究时发现,羟基自由基(·OH)与光生空穴(h+)作为主要的活性基团参与到反应中去,同时在降解过程中水中的溶解氧也充当了重要的角色。
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