石墨相氮化碳微纳米材料的制备及光催化性能研究
发布时间：2020-12-08 19:26
石墨相的氮化碳（g-C3N4）是一种直接带隙半导体，理想条件下室温禁带宽度为2.7eV左右，因为具有与碳材料相似的层状堆积结构和sp2杂化的π共轭电子能带结构，因此g-C3N4被认为是最有可能代替碳材料的新型应用功能材料。近年来，因为g-C3N4被发现在可见光下具有良好的光催化活性，作为一种新兴的非金属可见光催化剂得到了国内外广泛的关注和研究。本文制备的g-C3N4基功能材料，通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线光电子能谱仪（XPS）、傅里叶红外光谱（FTIR）、紫外可见漫反射光谱（DRS）、氮吸附脱附测试表征了其形貌和结构，评价了材料的催化活性，探索了光催化活性增强的机理。本论文主要研究内容包括：（1）利用改良的溶液高温热聚合法，选择有机物三聚氰胺做为前驱体,在不使用任何模板的前提下分别制备出g-C3N4纳米棒、微米锥、多孔四棱柱三种准一维形貌的g-C3N4材料。通过溶液中产生铵盐的诱导作用，有效改善了传统热聚合法制备样品团聚现象严重、微观形貌单一、不规则的现象，使其光催化活性较体相g-C3N4有显著提高。通过分析三种光催化剂的催化降解...
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：113 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
C3N4五种同素异形体的晶体结构图
结构中每个碳氮键的键长和键能都相等，这是一种与苯环机环状结构。2008 年，Markus Antonietti 教授[20]对 g-C3N4的结构进行了为实验合成 g-C3N4可能存在两种结构，单个三嗪环通过末端的 N 原子相3N4结构，以及三个聚合的三嗪环(七嗪环)通过末端的 N 原子相连构成的如图 1.2 所示，三嗪环构成的 g-C3N4结构中，环内的 C-N 键长 0.1315 nm， 116.5°；环外的 C-N 键长 0.1444 nm，C-N-C 键角为 116.5°。七嗪环4结构中，环内的 C-N 键长 0.1316 nm，C-N-C 键角为 116.6°；环外的 C-2nm，C-N-C-键角为 120.0°[21]。两种结构中，七嗪环构成的 g-C3N4的聚过密度泛函理论(DFT)理论计算，缩聚反应的过程中，七嗪环构成的 g-稳定, 其热力学能量比三嗪环构成的 g-C3N4结构低约 30kJ/moll[22]，因此，在实际实验合成过程中该种结构更容易被合成，七嗪环经常是构成实C3N4片层结构的单元[23,24]，但也要在具体实验过程中分析。
图 1.3 理论计算 g-C3N4的热聚合反应路径Figure 1.3 Reaction path for the formation of g-C3N41.1.4 石墨相碳氮化合物的性质及应用2009 年，wang[43]等人为了进一步确定 g-C3N4的电子结构，通过密度泛函理论算得到：melam 分子中，最高占据轨道(HOMO)和最低空轨道之间的带隙为 3聚合 melon 分子体系的带隙则为 2.6eV，若是聚合 melon 分子体系的范围延伸，其带隙则会进一步缩小至 2.1eV，其具体能带结构如图 1.4a 所示。因为缺不完全等问题，实际合成的 g-C3N4带隙大多在 2.6-2.8eV 之间。从 g-C3N4的我们可以认为 g-C3N4是一种具有各向异性电子结构的直接带隙半导体，能带点为τ，并且只沿 τ -x方向离散。基于 Kohn-Sham 方法计算出聚合 melon 分和导带轨道图分别如图 1.4b，c 所示，melem 单体中价带的波函数是来源于pz轨道的HOMO 能级的组合，而导带的波函数是来源于碳原子的pz轨道的
【参考文献】：
期刊论文
[1]石墨相氮化碳的化学合成及应用[J]. 张金水,王博,王心晨. 物理化学学报. 2013(09)
[2]染料废水处理技术现状与发展[J]. 岳治杰. 黑龙江环境通报. 2012(03)
[3]g-C3N4及改性g-C3N4的光催化研究进展[J]. 冯西平,张宏,杭祖圣. 功能材料与器件学报. 2012(03)
[4]可控形貌纳米ZnO制备及光催化应用研究[J]. 吕晓猛,贾瑛,刘田田,张淑娟. 应用化工. 2012(04)
[5]水热法可控合成ZnO纳米棒及其光催化性能研究[J]. 卢红霞,於秀君,韩艳丽,范冰冰. 郑州大学学报(工学版). 2012(02)
[6]类石墨结构碳氮材料的制备及其在有机化工催化中的应用[J]. 江根锋,周春晖,何雪华,童东绅,夏厚胜. 工业催化. 2008(10)
[7]氮化碳晶体的研究进展[J]. 马志斌. 新型炭材料. 2006(03)
[8]氮化碳（C3N4）的研究进展[J]. 吴现成,刘国汉,陈光华. 甘肃科学学报. 1999(03)
[9]氮化碳的制备、结构和性能[J]. 陈天兵,李宗全. 材料科学与工程. 1998(04)
本文编号：2905564
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：113 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
C3N4五种同素异形体的晶体结构图
结构中每个碳氮键的键长和键能都相等，这是一种与苯环机环状结构。2008 年，Markus Antonietti 教授[20]对 g-C3N4的结构进行了为实验合成 g-C3N4可能存在两种结构，单个三嗪环通过末端的 N 原子相3N4结构，以及三个聚合的三嗪环(七嗪环)通过末端的 N 原子相连构成的如图 1.2 所示，三嗪环构成的 g-C3N4结构中，环内的 C-N 键长 0.1315 nm， 116.5°；环外的 C-N 键长 0.1444 nm，C-N-C 键角为 116.5°。七嗪环4结构中，环内的 C-N 键长 0.1316 nm，C-N-C 键角为 116.6°；环外的 C-2nm，C-N-C-键角为 120.0°[21]。两种结构中，七嗪环构成的 g-C3N4的聚过密度泛函理论(DFT)理论计算，缩聚反应的过程中，七嗪环构成的 g-稳定, 其热力学能量比三嗪环构成的 g-C3N4结构低约 30kJ/moll[22]，因此，在实际实验合成过程中该种结构更容易被合成，七嗪环经常是构成实C3N4片层结构的单元[23,24]，但也要在具体实验过程中分析。
图 1.3 理论计算 g-C3N4的热聚合反应路径Figure 1.3 Reaction path for the formation of g-C3N41.1.4 石墨相碳氮化合物的性质及应用2009 年，wang[43]等人为了进一步确定 g-C3N4的电子结构，通过密度泛函理论算得到：melam 分子中，最高占据轨道(HOMO)和最低空轨道之间的带隙为 3聚合 melon 分子体系的带隙则为 2.6eV，若是聚合 melon 分子体系的范围延伸，其带隙则会进一步缩小至 2.1eV，其具体能带结构如图 1.4a 所示。因为缺不完全等问题，实际合成的 g-C3N4带隙大多在 2.6-2.8eV 之间。从 g-C3N4的我们可以认为 g-C3N4是一种具有各向异性电子结构的直接带隙半导体，能带点为τ，并且只沿 τ -x方向离散。基于 Kohn-Sham 方法计算出聚合 melon 分和导带轨道图分别如图 1.4b，c 所示，melem 单体中价带的波函数是来源于pz轨道的HOMO 能级的组合，而导带的波函数是来源于碳原子的pz轨道的
【参考文献】：
期刊论文
[1]石墨相氮化碳的化学合成及应用[J]. 张金水,王博,王心晨. 物理化学学报. 2013(09)
[2]染料废水处理技术现状与发展[J]. 岳治杰. 黑龙江环境通报. 2012(03)
[3]g-C3N4及改性g-C3N4的光催化研究进展[J]. 冯西平,张宏,杭祖圣. 功能材料与器件学报. 2012(03)
[4]可控形貌纳米ZnO制备及光催化应用研究[J]. 吕晓猛,贾瑛,刘田田,张淑娟. 应用化工. 2012(04)
[5]水热法可控合成ZnO纳米棒及其光催化性能研究[J]. 卢红霞,於秀君,韩艳丽,范冰冰. 郑州大学学报(工学版). 2012(02)
[6]类石墨结构碳氮材料的制备及其在有机化工催化中的应用[J]. 江根锋,周春晖,何雪华,童东绅,夏厚胜. 工业催化. 2008(10)
[7]氮化碳晶体的研究进展[J]. 马志斌. 新型炭材料. 2006(03)
[8]氮化碳（C3N4）的研究进展[J]. 吴现成,刘国汉,陈光华. 甘肃科学学报. 1999(03)
[9]氮化碳的制备、结构和性能[J]. 陈天兵,李宗全. 材料科学与工程. 1998(04)
本文编号：2905564
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