氧化银—氧化锌复合物和改性的类石墨氮化碳的光催化性能研究

发布时间：2018-03-18 17:23

  本文选题：光催化　切入点：氧化银　出处：《吉林大学》2015年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：进入到21世纪,随着人口的增长,能源的需求将会进一步的加大,同时伴随的环境问题也会越来越严重。据科学家分析与统计,到2050年,人类所需要的能源将会提高到现在的一倍左右。然而现在我们所用的能源还比较局限,大部分还主要来源于一些不可循环的化石燃料。同时工业生产过程中,会产生许多有毒或者不能直接进行生物降解的有机废料。如果对这些废料不进行有效的处理,将会严重污染我们的水源,从而威胁到我们的健康。半导体材料在太阳光的照射下,太阳能转换的化学能可以将有机染料降解,同时还能裂解水得到清洁能源氢气。从而光催化技术可以同时应用到能源的开发和环境问题的处理中。而且光催化技术所消耗的能源还是这个世界上最丰富、最廉价和最清洁的能源-太阳能。光催化降解有机物不会引入新的有害物质同时也不会产生二次污染物,光催化得到的氢气也是一种高能量密度并且十分清洁的二次能源。自从1972年二氧化钛半导体被发现可以应用于光催化裂解水,人们对光催化进行了大量的研究和探索,可是仍然无法满足实际应用的要求。这是因为单一的半导体材料在光催化反应的过程中存在很多问题,比如光生电子的效率比较低、光生电子的成活率不高、成本昂贵以及半导体的光稳定性不好等。为了提升半导体材料的光催化效率,我们通过修饰表面原子来降低单一半导体材料的带隙宽度;增加半导体材料的表面积来提高其催化反应的活性位点;以及与其他半导体材料进行复合来提升光生电子的寿命;从而大大地改善了单一半导体材料的光催化效率。本论文研究内容主要包括以下二个方面:一、氧化银-氧化锌复合材料光催化降解性能的研究纯的氧化银半导体材料具有较窄的带隙,可以吸收可见光,具有很好的光催化降解性能;但是单纯的氧化银价格比较昂贵,从而阻碍了其实际应用。氧化锌也是一种较稳定,光电效率很高的光催化剂,广泛的应用于各种有机污染物降解反应,可由于氧化锌只能吸收紫外光,也阻碍了其对太阳光的利用。我们利用普通沉淀与水热结合的方法得到了氧化银-氧化锌复合材料,得到的这种复合材料具有更小的颗粒尺寸。这种催化剂兼具了这两种催化剂的优点,不仅降低了贵金属银的用量,同时还提高了催化剂的光催化降解效率。相比于纯的氧化银、氧化锌以及他们的混合物,相同量的氧化银-氧化锌复合物不论在紫外光还是可见光的照射下都具有最高的催化效率。二、改性的类石墨氮化碳(g-C_3N_4)光催化水解制取氢气性能的研究作为一种二维材料,聚合物半导体g-C_3N_4具有优越的光催化性能。g-C_3N_4符合光催化裂解水的带隙要求,同时还具有很好的热稳定性以及化学稳定性,是一种很有前景的可见光催化剂材料。可是单纯g-C_3N_4的催化产氢效率不是很高,不能满足实际应用的需求,从而需要我们对单纯的g-C_3N_4材料进行一定的改进。1)我们使用醋酸处理三聚氰胺,然后通过热聚合的办法合成了一种新的具有更高比表面积的g-C_3N_4光催化剂。这种新型g-C_3N_4光催化剂合成方法简单、易操作,没有使用到有毒的化学药品。这种新型g-C_3N_4光催化剂具有着更小的尺寸并且包含有多孔结构,高的表面积增加了催化反应的活性位置;同时其可见光吸收基本没有降低,从而使得g-C_3N_4的催化性能得到了提高。在相同的条件下,新方法合成g-C_3N_4的光催化产氢速率达到了普通g-C_3N_4的2.7倍,同时也具有很好的光催化稳定性,在12小时的反应过程中催化剂的光催化反应速率都没有降低。2)我们还采取了元素掺杂的方法来提升g-C_3N_4的光催化效率。首先,我们应用水热-煅烧热聚合的办法合成了一种新型的棕色的g-C_3N_4。这种方法合成的棕色g-C_3N_4相比于普通g-C_3N_4具有更小的带隙宽度,同时光生电子-空穴的复合率也得到了抑制,可见光下催化分解水放氢性能达到普通g-C_3N_4的5.1倍。后来我们还通过氯化钾作为模板合成了钾掺杂的氮化碳(K-g-C_3N_4)纳米材料。钾的引入同样降低了氮化碳的带隙宽度,提升了K-g-C_3N_4在可见光区太阳光的吸收;同时这种方法合成的新催化剂含有g-C_3N_4/g-C_3N_4异质结,这种异质结可以相互之间传递电荷,很好地阻碍了光生电子-空穴的复合。从而,钾掺杂的氮化碳光催化效率得到了大大地提升,其可见光照射下的催化产氢效率是纯g-C_3N_4的14.1倍。3)为了进一步的提升氮化碳的光催化效率,我们还合成了氧化银修饰的g-C_3N_4。应用简单的水热法合成了氧化银修饰的g-C_3N_4,极大地提升了光催化效率。相同的条件下,氧化银修饰的g-C_3N_4的可见光催化分解水制氢效率提高了274倍,甚至比相同量的铂修饰的g-C_3N_4光催化效率还要高。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O643.36;TB33

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本文编号：1630565