g-C3N4/BiORr复合光催化材料制备及性能研究

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能源与环境危机是人类目前面临的最严峻的问题,寻找环境友好清洁能源一直是科学界研究的热点。光催化技术能够利用自然中取之不尽的太阳能,在能源与环境保护领域具有广泛的应用前景。特别是光催化技术可在比较温和的条件下将有机污染物降解,不仅成本低廉,而且环保无二次污染,已成为一种极具发展前景的环境污染治理技术。  类石墨结构氮化碳(g-C3N4)因其独特的电子结构、对可见光响应、物理化学性质稳定、成本低廉等优点,成为备受关注的一种新型光催化剂。然而通过传统热聚合方法制备出的g-C3N4颗粒尺寸大、比表面积低、量子效率低,限制了g-C3N4的应用。针对以上问题,本文将球磨工艺与水热质子化处理工艺相结合制备了多孔g-C3N4,以提高其比表面积;在此基础上控制BiOBr晶粒在多孔g-C3N4表面生长形成异质结结构,获得g-C3N4/BiOBr复合光催化材料。本文对材料的制备、结构与性能进行了研究,主要研究内容和结论如下:  (1)采用机械球磨法对g-C3N4进行预处理,分析了球料比、物料溶剂比、球磨时间与球磨转速等球磨工艺参数对g-C3N4粒度、形貌以及光催化性能的影响。结果表明:当球料比为30∶1,物料溶剂比为1∶1,球磨时间为4h,球磨转速为200r/min时g-C3N4粒径分布最窄,颗粒最均匀。球磨预处理之后g-C3N4比表面积增大,对CR与RhB溶液的吸附率是球磨前的2.24、1.03倍;可见光照射下对CR与RhB溶液的降解速率是球磨前的2.9、4.5倍。  (2)采用水热法利用硫酸对球磨后的g-C3N4进行质子化处理,获得具有多孔结构的g-C3N4,考察了质子化条件对g-C3N4形貌、结构的影响,分析了多孔g-C3N4的光谱学特性、光电性能及光催化性能。结果表明:当质子化过程中的硫酸溶液浓度为0.4 mol/L时,制备出的g-C3N4具有较好的纳米多孔结构,比表面积提高到30.9 m2/g,达到初始样品的8.9倍。多孔g-C3N4通过多孔结构、晶粒细化及表面缺陷等因素有效促进光生电子-空穴对高效迁移与分离,延长了载流子寿命,提高了量子效率。此外,质子化处理使得g-C3N4表面带正电荷,对负电性染料CR的吸附及光催化降解能力显著提升,表现出对负电性染料的选择性降解。  (3)采用水热法实现BiOBr晶粒在多孔g-C3N4表面的生长,制备出g-C3N4/BiOBr复合光催化材料,对产物形貌、结构、光学性能、光催化性能、光催化剂重复利用性、光催化活性物质以及光催化机理等进行了研究。结果表明:水热条件下BiOBr晶粒均匀负载在多孔g-C3N4表面,形成g-C3N4/BiOBr复合光催化材料。由于g-C3N4与BiOBr能带的匹配,两种物质接触界面形成了异质结结构,有效促进了光生电子空穴对的分离,提高了量子效率及光催化性能;而多孔性可有效增强催化剂对染料的吸附与接触,提高光催化反应速率;研究认为参与光催化反应的主要的活性物质是·O2-1和h+。在可见光照射下,g-C3N4/BiOBr复合光催化材料对甲基橙与刚果红染料的降解速率是多孔g-C3N4的2.4倍、1.9倍以及BiOBr的6.6倍、7.2倍。g-C3N4/BiOBr的光催化活性比较稳定,在可见光下重复利用4次后仍然保持较高的光催化活性。
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