用于光催化产氢的MOF修饰氮化碳光催化剂的设计与制备

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对于减少环境污染以及减轻全球能源危机,太阳能光催化分解水产氢或许是一项高效途径。光催化产氢的技术关键主要在于设计和开发高效的光催化剂。石墨相氮化碳(g-C3N4)以其独特的层状结构、可见光的响应性、简单的制备方法以及较强的稳定性,在近年来广受关注。然而,由于存在比表面积低、对可见光的吸收强度较弱、光生电子-空穴复合率较高等缺点,g-C3N4的光催化产氢活性被极大地限制。所以,如何有效地增加其比表面积、提高其对可见光的吸收效能以及改善光生电荷分离和转移的效率是构筑高效g-C3N4基光催化材料的有效途径。本文利用金属有机骨架材料(MOFs)与g-C3N4形成异质结,加快光生电荷的分离与转移,且能够有效地增加复合体系对可见光的吸收,从而构筑高效g-C3N4基异质结的光催化体系。其具体研究内容如下:(1)将咪唑类金属有机骨架材料ZIF-8与g-C3N4进行原位复合,制备得到了ZIF-8/g-C3N4复合材料。通过X-射线衍生仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶红外光谱(FT-IR)以及X-射线光电子能谱(XPS)等对复合材料的物相结构、形貌和组分进行分析,证明了复合材料的成功制备,并针对复合材料的构建对催化性能的影响展开了系统的研究。结果表明:ZIF-8的引入对异质结光催化产氢速率有极大影响,且ZIF-8的添加量为7wt%时,所制备的复合材料的光催化产氢速率最佳,达到875μmol/g/h,是纯g-C3N4的4.2倍,且此复合材料具有较强的稳定性。(2)对g-C3N4进行修饰,将对氨基苯甲酸(AA)修饰于g-C3N4中,形成AA-g-C3N4。将咪唑类金属有机骨架材料ZIF-67分别与g-C3N4以及AA-g-C3N4进行原位复合,制备得到了ZIF-67/g-C3N4、ZIF-67/AA-g-C3N4复合材料。利用多种表征手段对复合材料的物相结构、形貌和组分进行分析,并针对其催化性能展开系统的研究。结果表明:ZIF-67的引入会提高异质结的光催化产氢速率,且ZIF-67的添加量为5wt%时,所制备的复合材料的光催化产氢速率最佳,达到762.5075μmol/g/h,是纯g-C3N4的3.68倍;对氨基苯甲酸的修饰同样会增强异质结的光催化产氢速率,且与ZIF-67表现为协同作用。在有对氨基苯甲酸存在时,ZIF-67的添加量为7wt%时,所制备的复合材料的光催化产氢速率可达到890.445μmol/g/h。(3)将片状铜基金属有机骨架材料六羟基苯-铜(HHB-Cu)原位复合于g-C3N4和AA-g-C3N4中,形成复合材料HHB-Cu/g-C3N4、HHB-Cu/AA-g-C3N4。利用多种表征手段对复合材料的物相结构、形貌和组分进行分析,并针对其催化性能展开系统的研究。得到如下结果:HHB-Cu的存在会对g-C3N4的催化效率有极大程度上的提高。其中,当HHB-Cu的投加量为3wt%时,所制备的复合材料的光催化产氢速率提高最明显,可达671.25μmol/g/h,是纯g-C3N4的3.24倍。在AA-g-C3N4与HHB-Cu的复合体系中,HHB-Cu的添加量为7wt%时,所制备的复合材料的光催化产氢速率最佳,可达966.25μmol/g/h,是纯g-C3N4的4.66倍,是AA-g-C3N4的1.76倍。通过紫外-可见吸收光谱、PL等测试与分析,表明HHB-Cu/g-C3N4、HHB-Cu/AA-g-C3N4复合材料提高了对可见光的吸收范围,且能很好地抑制光生电子-空穴的复合,加快光生电荷的分离和转移,从而提高光催化产氢性能。
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