类石墨相氮化碳膜制备、改性及其光电化学性能研究

发布时间：2017-09-04 11:23

  本文关键词：类石墨相氮化碳膜制备、改性及其光电化学性能研究

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【摘要】：类石墨相氮化碳(g-CN)作为化学稳定性高且可见光响应的非金属半导体材料,被广泛应用于光解水和有机污染物降解。然而,一方面传统热聚合方法获得的氮化碳可见光吸收范围窄,光生载流子复合率高,使得其太阳能利用率低;另一方面目前氮化碳膜的制备工艺复杂、稳定性差,制约了氮化碳的器件化。基于这些问题,本论文通过溶剂热法直接在基底上制备氮化碳膜、进一步通过构建TiO_2/g-CN双层膜结构及对氮化碳表面修饰镍钴双金属氢氧化物(Ni-Co LDH),从而拓宽其可见光吸收并降低载流子复合,获得了光电性能优异的氮化碳膜。主要研究内容有:1、以乙腈作为溶剂,利用三聚氯氰和三聚氰胺共聚反应,在导电玻璃上溶剂热成膜,热处理之后得到了连续完整的氮化碳膜。研究结果表明,相比于固相热聚合制备的氮化碳,经24 h溶剂热反应和520℃热处理获得的氮化碳聚合程度高,末端缺陷少,可见光吸收拓宽至600 nm,膜与基底结合牢靠,极大地降低了界面阻抗,在0.6 V(vs SCE)电压下,光电流达到3.7μA cm-2,是固相热聚合获得的氮化碳的18倍。2、分别采用旋Q蒙战岱ㄖ票溉耦芽笙郥iO_2-A薄膜和水热法制备了金红石相TiO_2-R纳米棒阵列作为电子传输层,溶剂热负载g-CN作为可见光吸收层,构建了TiO_2-A/g-CN和TiO_2-R/g-CN双层膜电极。研究结果表明,两种TiO_2都能与g-CN能级匹配,形成异质结,从而抑制光生载流子的复合,提升光电转换能力。纳米棒阵列的高取向性及棒间间隙降低了g-CN生长过程中的体相聚集,并将光照与载流子传输方向错开,兼顾光学吸收及载流子传输能力,增加了半导体-溶液接触面积,因而TiO_2/g-CN光电化学性能更优异。在0.6 V(vs SCE)电压下,TiO_2/g-CN纳米棒核壳阵列的光电流达到81μA cm-2,是g-CN的16倍。3、采用阴极沉积法在g-CN表面修饰Ni-Co LDH材料。研究结果表明,LDH的引入改变了半导体的表面环境:一方面,Ni-Co LDH片层具有高比表面积,富含羟基和水,通过不断地吸脱附反应物和生成物,为传质提供便利,降低了氧氧键形成的能垒,从而促进水氧化进行;另一方面,LDH填补了氮化碳膜表面孔洞,避免了电流分路产生。在0.6 V(vs SCE)电压下,当LDH沉积电量为10 mC时,g-CN/LDH光电流达到11μA cm-2,是g-CN的2.5倍。
【关键词】：光电化学催化 类石墨相氮化碳 溶剂热成膜 双层膜异质结 双金属氢氧化物
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.2
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-13
• 第一章 绪论13-25
• 1.1 光电催化技术13-14
• 1.2 类石墨相氮化碳材料的制备14-17
• 1.2.1 固相热聚合法15-16
• 1.2.2 熔盐法16
• 1.2.3 溶剂热和水热法16-17
• 1.2.4 电化学聚合法17
• 1.3 类石墨相氮化碳材料的改性17-21
• 1.3.1 片状剥离17-18
• 1.3.2 形貌调控18-19
• 1.3.3 掺杂改性19-20
• 1.3.4 半导体复合20-21
• 1.3.5 贵金属沉积21
• 1.4 类石墨相氮化碳材料的光电化学应用21-23
• 1.4.1 光催化22-23
• 1.4.2 电催化23
• 1.4.3 光电传感器23
• 1.5 选题思路与研究内容23-25
• 1.5.1 选题思路23-24
• 1.5.2 研究内容24-25
• 第二章 氮化碳膜的溶剂热生长及其光电化学性能研究25-44
• 2.1 引言25-26
• 2.2 实验部分26-29
• 2.2.1 实验药品及设备仪器26-27
• 2.2.2 氮化碳膜的溶剂热制备27-28
• 2.2.3 物相结构及性能表征28
• 2.2.4 电化学及光电化学测试28-29
• 2.3 实验结果与讨论29-42
• 2.3.1 不同热处理条件对氮化碳膜制备及其光电化学性能影响29-32
• 2.3.2 溶剂热反应时间对氮化碳膜制备及其光电化学性能影响32-38
• 2.3.3 氮化碳材料制备方法及成膜工艺对光电化学性能的影响38-42
• 2.4 本章小结42-44
• 第三章 TiO_2/g-CN双层膜构建及其光电化学性能研究44-60
• 3.1 引言44
• 3.2 实验部分44-46
• 3.2.1 实验药品及设备仪器44-45
• 3.2.2 TiO_2/g-CN双层膜结构制备45-46
• 3.2.3 物相结构及性能表征46
• 3.2.4 电化学及光电化学测试46
• 3.3 实验结果与讨论46-58
• 3.3.1 TiO_2形貌结构对TiO_2/g-CN光电化学性能的影响46-52
• 3.3.2 水热时间对TiO_2/g-CN光电化学性能的影响52-55
• 3.3.3 g-CN前驱浓度对TiO_2/g-CN光电化学性能的影响55-58
• 3.4 本章小结58-60
• 第四章 g-CN/LDH制备及其光电化学性能研究60-71
• 4.1 引言60-61
• 4.2 实验部分61-62
• 4.2.1 实验药品及设备仪器61
• 4.2.2 g-CN/LDH制备61-62
• 4.2.3 物相结构及性能表征62
• 4.2.4 电化学及光电化学测试62
• 4.3 实验结果与讨论62-70
• 4.3.1 g-CN/LDH材料的物相62-65
• 4.3.2 g-CN/LDH材料的结构65-68
• 4.3.3 g-CN/LDH材料的光电化学性能68-70
• 4.3.4 g-CN/LDH材料机理分析70
• 4.4 本章小结70-71
• 第五章 总结与展望71-73
• 5.1 总结71-72
• 5.2 展望72-73
• 参考文献73-83
• 致谢83-84
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文84

【参考文献】

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1 ;Preparation of graphitic carbon nitride by electrodeposition[J];Chinese Science Bulletin;2003年16期

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本文编号：791243