石墨相氮化碳多相材料的制备与光催化性能研究

发布时间：2020-09-15 15:06

　　随着科技的进步,开发和利用太阳能的条件大大改善,太阳能显示出了广阔的发展前景。光催化技术能够通过光催化剂将太阳能转化为化学能,从而氧化降解水体中的污染物,因此被认为是一种绿色环保的技术。光催化技术的核心是设计并合成出合适的光催化剂,而早期常见的TiO_2以及ZnO受限于其较大的禁带宽度,因此仅能利用太阳光中部分紫外光,没有很好地利用可见光。石墨相氮化碳(g-C_3N_4)作为一种新型的非金属高聚物半导体,具有较广的可见光响应范围,能够有效提高材料对太阳能的利用率。然而,纯相g-C_3N_4还存在比表面积较小,电子空穴对复合率较高等问题。研究表明构建基于g-C_3N_4的复合材料可以有效解决上述问题。(1)探讨以三聚氰胺、硫脲、尿素为前驱体在不同温度下直接煅烧合成g-C_3N_4的产率和微观形貌,并以三聚氰胺为前驱体通过软模板法煅烧合成g-C_3N_4。对550℃煅烧温度下合成的各g-C_3N_4进行光催化测试实验。实验结果表明,以尿素为前驱体和以软模板法合成的g-C_3N_4光催化活性都较高且两者相差不大,软模板法合成的g-C_3N_4比直接煅烧合成的g-C_3N_4光催化性能有显著提升。(2)采用水热法合成了Ag-CeO_2纳米微球,并通过简单的溶剂蒸发法实现了Ag-CeO_2/g-C_3N_4复合材料的制备。考察负载Ag-CeO_2对g-C_3N_4结构、形貌以及光催化性能方面的影响,并对复合材料的光催化稳定性进行了评价。实验结果表明,Ag-CeO_2/g-C_3N_4复合材料能够拓展可见光响应,有效抑制光生电子与空穴复合。当Ag-CeO_2质量为g-C_3N_4质量的20%时,复合光催化剂表现出最高的光催化活性,同时在重复四次光催化实验后依旧保持稳定。最后通过加入捕获剂探究光催化实验中真正的活性物质为空穴与超氧自由基,并以此尝试探讨了复合材料的光催化机理。(3)采用水热法合成了WO_3纳米棒,并通过简单的溶剂蒸发法以及光沉积法实现了WO_3/Ag/g-C_3N_4复合材料的制备。考察负载WO_3和Ag对g-C_3N_4结构、形貌以及光催化性能方面的影响,并对复合材料的光催化稳定性进行了评价。实验结果表明,WO_3/Ag/g-C_3N_4复合材料能够拓展可见光响应,有效抑制光生电子与空穴复合。当WO_3质量百分比为15 wt%时,复合光催化剂表现出最高的光催化活性,同时随着纳米银的加入后光催化剂的活性又有很大提升。在重复四次光催化实验后,复合光催化剂依旧保持稳定。最后通过加入捕获剂探究光催化实验中真正的活性物质为羟基自由基与超氧自由基,并以此尝试探讨了复合材料的光催化机理。
【学位单位】：苏州科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：X52;O643.36;TB33
【部分图文】：

三嗪环,氮化碳,石墨相

图 1.1 左为 s-三嗪的结构，右为 3-s-三嗪环的结构Figure 1.1 S-Triazine (left) and tri-s-triazine(right) as tectons of g-C3N4氮碳化合物的发现最早可以追述到 1834 年，Berzelius 就已经设计并合成了由二级氮连接 3-s-三嗪环的线性聚合物，并由“有机化学之父”Liebig 命名为melon[30]。后来直到 1922 年，科学家富兰克林对这类氮碳化合物的结构进行了更深入的了解，并提出了“氮化碳”(C3N4)的概念[31]。直到 2009 年，Wang 等在Nature Materials 上发表论文，开创性的将 g-C3N4运用于光催化领域，针对石墨相氮化碳的研究也由此轰轰烈烈地展开[32]。如今，g-C3N4作为一种新型高效的可持续光催化剂，正逐渐在光催化领域展露头角[33-35]。1.4.2 石墨相氮化碳的微观结构1996 年，Teter 等尝试采用共轭梯度法用于计算氮化碳的可能结构，实验结论共得到五种可能的 C3N4结构，分别命名为 α 相、β 相、立方相、准立方相以及类石墨相[36]。Molina 等认为石墨相氮化碳可能存在两种单层结构：一种是以C3N3环（三嗪环）为结构单元，另一种是以 C6N7环（3-s-三嗪环）为结构单元，

示意图,示意图,纳米,氮化碳

促进光吸收和氧化还原带电位，从而提高多非金属元素掺杂的研究已经被报道。一般3]等。将非金属杂原子掺杂进氮化碳骨架中匀分布在整个网络中，从而发生电子电势Huang 等人用双氧水处理三聚氰胺以产生氢炉中以 N2作为保护气，并于 550℃下进行，有利于电子-空穴分离[74]。，常见的掺杂金属主要为 Fe、Bi 掺杂[75]e 掺杂的 g-C3N4纳米片，从漫反射光谱得出收。Fe 掺杂后的复合材料光催化活性是块 4.5 倍[76]。Dong 等通过在 g-C3N4纳米片金属-有机结构的 Bi 球-g-C3N4纳米复合物i-g-C3N4显示出优异的光催化能力，并超越效净化 NO[77]。

分子结构式,亚甲基蓝,罗丹明B,罗丹明

图 2.1.(a)亚甲基蓝分子结构式；(b)罗丹明 B 分子结构式Fig.2.1.(a) Molecular structure of Methylene blue; (b) Molecular structure of Rhodamine B本实验选择亚甲基蓝和罗丹明 B 溶液作为模拟污染废水用于光催化降解性能的研究。因为亚甲基蓝和罗丹明 B 在工业上即可用于棉、纸张、竹子、蚕丝等的染色，又可以制备绘图工具的染料。其应用范围十分广泛，同时在使用后会产生较多含有有机染料的废水。因此，以它们作为模拟染料废水用于光催化降解，可以为实际的生产生活应用提供一定的借鉴作用。亚甲基蓝和罗丹明 B 的结构式分别如图 2.1(a)和(b)所示。MB、RhB 溶液的配制：用分析天平准确称取 0.1 g 的 MB、RhB 固体颗粒于250 mL 的烧杯中，并加入一定量的去离子水进行溶解。待固体颗粒完全溶解后，转移至 2 L 的容量瓶中，定容完成后保存在暗室留待后续实验使用。所配置的MB、RhB 溶液浓度为 50 mg/L，利用类似实验方法进行稀释，配置稀溶液后，绘制标准曲线。2.3.2 有机染料的标准曲线绘制

【参考文献】