新型氮化碳复合材料的制备及其在光催化领域的应用研究

发布时间：2020-07-17 23:18

【摘要】：随着社会和经济的快速发展,全球资源受到了大规模的开发,包括石油、天然气、煤炭等,与此同时,人们在利用这些资源进行生产生活时对环境造成了不可挽回的危害,因此,当前人们正面临着能源危机和环境污染问题。于是,半导体光催化技术应运而生,它可以利用太阳能对环境中的污染物进行降解,也可以实现裂解水制氢,因此,半导体光催化剂既能解决资源短缺的问题,也能实现对环境的修复工作。目前对于半导体光催化剂的开发大都是围绕着Ti02,但是经过多年来的研究,以Ti02为基的半导体光催化剂仍旧没有实现实际的应用,因为它存在着一些问题,例如太阳能利用率较低、量子效率较低等。因此,科研人员也开始研发新型高效的半导体光催化剂。石墨相氮化碳,作为一种非金属聚合物,由储量极为丰富的C、N元素组成,因此它的合成材料来源广泛,制备方法多样。同时,也因为它具有较低的带隙宽度(Eg = 2.7eV),加上特殊的电子结构,使其在光催化降解污染物和光催化水解制氢等方面表现出良好的活性。然而,想实现实际应用,它仍旧有很长的路要走,因为它也局限于自身比表面积低、导电性差等问题。因此,本文主要是通过石墨相氮化碳改性的方式,制备出由过渡金属掺杂的石墨相氮化碳纳米片,并通过一系列的表征和测试手段,对其进行形貌、结构等分析,并对其光催化性能进行了深入研究,具体内容如下:(1)以三聚氰胺、三聚氰酸、黄嘌呤为前驱体,通过掺杂过渡金属铁,合成了一种新型氮化碳材料。通过高角环形暗场-扫描透射电子显微镜(HAADF-STEM)仪器观测到,掺杂到石墨相氮化碳中的铁是以单原子的形式存在,这在石墨相氮化碳改性方面还是首次发现。通过XRD、XPS、UV-vis、PL等表征和测试方法发现,复合材料对可见光区域的吸收能力更强,禁带宽度更小,抑制光生载流子复合的能力更好,光电化学特性也更优良。同时,以啶虫脒为主要模型污染物,在photo-Fenton系统进行降解实验,深入探究了该材料的光催化性能。(2)以三聚氰胺和可可碱为前驱体,通过过渡金属掺杂的方法,合成了铁掺杂的改性石墨相氮化碳材料。通过TEM、XRD、UV-vis等手段进行了结构的分析,并以罗丹明B为虚拟污染物,在过二硫酸钾和可见光组成的反应体系中,考察其光催化活性,结果表明铁掺杂的石墨相氮化碳具有更强的光催化活性。(3)三聚氰胺、三聚氰酸、黄嘌呤为前驱体,通过热聚合法合成了一种新型氮化碳材料。TEM图谱表明,金属簇Co均匀地分散在石墨相氮化碳纳米片上。通过各种表征手段和光催化降解实验对该复合材料进行探究,发现其光催化降解污染物的能力较强。尤其在七次循环实验后,仍旧保持良好的光催化性能,材料稳定性极高。
【学位授予单位】：浙江师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O643.36;TB33
【图文】：

原理图,光催化反应,原理,半导体

我们可以得出结论：当半导体的禁带宽度越大，它的光吸收带边也就越小，逡逑那么提供给半导体发生激发跃迁行为所需要的能量也就越高。逡逑图１．１是半导体的光催化反应的机理图。当半导体受到光照射时，原本在价逡逑带上的电子就会吸收光子的能量而受激发跃迁到导带上，由此形成了可自由移动逡逑２逡逑

三嗪环,网络结构,示意图

石墨相氮化碳的结构与石墨类似，都是二维片层结构，由范德华力作用层层逡逑堆叠而成。对于二维片层结构的基本单元，一直以来都存在争议，但主要分为两逡逑种：ｓ－三嗪环（Ｃ３Ｎ３）和３－ｓ－三嗪环（Ｃ６Ｎ７）邋［３Ｑ］，如图１．６所示，每个结构单元逡逑通过末端的氮原子连接形成了一层类似于石墨的二维平面结构，其中Ｃ、Ｎ都是逡逑ｓｐ２杂化。２００２年，Ｋｒｏｋｅ等人［３１］通过密度泛函理论计算，发现由３－ｓ－三嗓环构逡逑成的ｇ－Ｃ３Ｎ４比由ｓ－三嗪环构成的ｇ－Ｃ３Ｎ４的热力学能量低，约低３０ｋＪ／ｍｏＩ，由此逡逑他们认为３－ｓ－三嗪环很可能才是ｇ－Ｃ３Ｎ４真正的结构单元。而在２０１５年，Ｚｈｏｕ等逡逑人［３２］首次报道了将ｇ－Ｃ３Ｎ４溶解在浓硫酸中，成功制备出ｇ－Ｃ３Ｎ４的溶液，随后通逡逑过一系列手段对它的液晶相进行分析测试，证实ｇ－Ｃ３Ｎ４是由完全缩聚和部分缩逡逑聚的３－ｓ－三嗪环所构成。但介于ｇ－Ｃ３Ｎ４的结构复杂，具体的结构还需要更多的逡逑理论和实验去证明。逡逑９逡逑

照片,纳米棒,照片,二氰二胺

他们又将模板法与电化学沉积法结合，先在ＩＴＯ电极上修饰一层Ｓｉ０２纳逡逑米球［４１１随后以二氰二胺为前驱体，以丙酮为溶剂，通过电化学沉积制备出空逡逑心球状的ｇ－Ｃ３Ｎ４材料，见图１．９，厚度为０．邋０８－０．２５叫，直径为０．邋８１？１邋ｐｍ，逡逑并且是由５？３０邋ｎｍ的纳米颗粒组成。逡逑１４逡逑

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