多孔氮化碳基复合催化剂的设计、组装及光催化性能研究
发布时间：2020-04-05 08:22
【摘要】：类石墨状氮化碳(g-C_3N_4)是一种无金属成分的有机化合物,其原料储量丰富、制备工艺简单、无毒无害、化学性质稳定,是一种具有潜在产业化应用的光催化剂。本论文围绕g-C_3N_4基复合催化剂的设计、组装及光催化性能研究,侧重对g-C_3N_4进行结构调控和性能优化,进而在此基础上构建具有高效可见光活性且光稳定性优异的g-C_3N_4基复合催化剂。采用多种表征手段对所合成光催化剂的晶相结构、微观形貌、化学组成、比表面积、光催化性能以及光催化机理进行了系统的研究。具体研究内容如下所述:1.Bi_2MoO_6/g-C_3N_4复合催化剂的制备及光催化性能研究采用化学液相吸附和热处理结合的协同手段成功组装了一系列具有不同Bi_2MoO_6含量的Bi_2MoO_6/g-C_3N_4纳米复合光催化剂,系统地研究了复合催化剂样品的物相结构、微观形貌、光学性质、表面元素组成及各组分之间的相互作用等。以可见光照下光催化降解罗丹明B(RhB)来评估复合催化剂的活性。结果表明:在可见光的照射下,当复合体系中含有20wt%Bi_2MoO_6纳米片时,所制备的复合催化剂(20 wt%Bi_2MoO_6/g-C_3N_4)表现出了最佳的光催化活性,其降解RhB的速率常数为0.108 min~(-1),分别是块状g-C_3N_4和纯Bi_2MoO_6纳米片的2.63倍和5.40倍。光稳定性测试表明,20wt%Bi_2MoO_6/g-C_3N_4具有良好的光催化稳定性。2.Bi_2W0_6量子点与g-C_3N_4复合光催化剂(Bi_2WO_6QDs/g-C_3N_4)的制备及光催化性能研究通过对Bi3+采用油酸根离子(C_(18)H_(33)O_2)进行络合处理,在水热条件下成功制备了Bi_2W0_6QDs/g-C_3N_4纳米复合催化剂。在Bi_2WO_6QDs/g-C_3N_4复合体系中,g-C_3N_4的含量明显影响复合物的光催化活性。其中,当体系中介孔g-C_3N_4超薄层的含量为110mg时,所制备的Bi_2WO_6QDs/g-C_3N_4复合物光活性最优。这主要取决于两者基体之间形成的异质界面,紧密的异质界面会影响光生空穴和电子的分离,从而影响光催化活性。另外,针对光催化过程中活性物种的捕获,证实了超氧自由基负离子(·2-)在Bi_2WO_6 QDs/g-C_3N_4复合体系光催化中起主导作用。结合Bi_2W0_6 QDs和g-C_3N_4带隙结构的分析,可以判断Bi_2WO_6QDs/g-C_3N_4复合物是Z型光催化剂。3.三维立体结构CdIn_2S_4/g-C_3N_4复合催化剂的制备及光催化性能研究采用简单的一步水热路线,制备了不同组分配比的CdIn_2S_4/g-C_3N_4复合光催化剂。在水热环境中,介孔g-C_3N_4超薄层伴随着立体结构的CdIn_2S_4的形成而原位缠结在CdIn_2S_4的内部及覆盖在其表面,从而构建了具有多尺度界面结构的CdIn_2S_4/g-C_3N_4三维立体复合催化剂。荧光发射光谱(PL)、光电流相应测试(I-t)以及电化学阻抗谱(EIS)测试均表明这种具有三维立体结构的CdIn_2S_4/g-C_3N_4复合光催化剂具有高效的载流子分离能力。结合晶型结构分析、微观形貌分析、光学性质分析以及比表面积分析,更进一步确定了高效载流子分离和转移是CdIn_2S_4/g-C_3N_4复合光催化剂光催化活性增强的原因。对所制备的光催化剂进行可见光下光还原对硝基苯胺(4-NA)的性能评估。结果揭示CdIn_2S_4/g-C_3N_4(50 wt%)具有最佳的光催化还原4-NA的能力。对CdIn_2S_4/g-C_3N_4(50 wt%)复合光催化剂的循环实验表明,通过构建三维立体结构的CdIn_2S_4/g-C_3N_4复合物,不仅可以提高光催化活性,而且可以明显提高CdIn_2S_4抗光腐蚀性。4.基于超声化学法制备Zn_(0.2)Cd_(0.8)S纳米颗粒负载P掺杂的类石墨状氮化碳复合物(Zn_(0.2)Cd_(0.8)S/P-C_3N_4)及其光催化性能研究利用简单的超声化学法促进Zn_(0.2)Cd_(0.8)S固溶体颗粒原位负载在P-C_3N_4纳米层。并通过SEM、TEM等测试手段对产物进行了详细地表征。结果表明:在没有加入P-C_3N_4纳米层时,所形成的Zn_(0.2)Cd_(0.8)S固溶体粒径较大且有团聚现象。而在Zn_(0.2)Cd_(0.8)S/P-C_3N_4复合物中,所得到的Zn_(0.2)Cd_(0.8)S固溶体颗粒较为均匀,且在P-C_3N_4纳米层上具有良好的分散性。这说明P-C_3N_4纳米层在Zn_(0.2)Cd_(0.8)S固溶体合成过程中具有一定的结构导向作用。显然,这种高分散的负载型结构对于Zn_(0.2)Cd_(0.8)S/P-C_3N_4复合物光催化活性的提高具有重要意义。与纯的单一组分相比,Zn_(0.2)Cd_(0.8)S/P-C_3N_4复合物通过Zn_(0.2)Cd_(0.8)S固溶体与P-C_3N_4纳米片的协同作用,对光还原水制氢和光催化还原4-NA均表现出优异的光催化活性。5.P-C_3N_4/ZnIn_2S_4复合催化剂的制备及其光催化性能研究利用混合溶剂热路线,成功设计并制备了ZnIn_2S_4纳米层和P-C_3N_4纳米层紧密结合的二维-二维异质结构的P-C_3N_4/ZnIn_2S_4复合催化剂,并对产物的物相结构、元素成分、比表面积(BET)、光电化学性能以及载流子分离情况等进行了系统的表征。考察了不同P-C_3N_4纳米层含量的P-C_3N_4/ZnIn_2S_4复合物光催化降解MO以及光还原4-NA的活性。结果表明,复合体系中不同的P-C_3N_4含量对P-C_3N_4/ZnIn_2S_4产物的光催化活性影响较大,其中20wt%P-C_3N_4/ZnIn_2S_4复合物光催化活性最佳。结合价带-光电子能谱(VB-XPS)和带隙测试,初步推测了P-C_3N_4/ZnIn_2S_4复合体系中载流子的转移方向,并判断了可能的光催化机理。
【图文】：
驱体来制备ｇ－Ｃ３Ｎ４。逡逑Ｍａｒｔｈａ等人对含有三聚氰胺和尿素的混合前驱体进行热聚合处理，制备了产氢逡逑性较高的８－＜：３队样品［２｜］。当以１０％体积含量的三乙醇胺0＾0八）为牺牲剂，可逡逑光条件下，该ｇ－Ｃ＾ＮＵ的产氢速率可达到２４0ｎｍｏｌ‘ｇ＿Ｋｈ＿ｌ；而当负载ｌｗｔ％的Ｐｔ作逡逑助催化剂时，其产氢速率可以高达６７５邋ｐｍｏｒｇ＋ｈ—１，这主耍是由于以三聚氰胺和的混合前驱体制备的ｇ－Ｃ３Ｎ４样品的载流子分离能力更强。上海硅酸盐研究所施研究员课题组［２２］采用氨腈和尿素熔体作为混合前驱体，以２．０邋ＩＣｍｉｎ－１的升温速率，逡逑别在５００？７００邋°Ｃ温度范围内，对混合前驱体热处理４邋ｈ来制备ｇ－Ｃ３Ｎ４，其具体反逡逑步骤见图１．４。以ＲｈＢ为模拟污染物，考察了制备方法和热处理温度对所制备的光催化活性的影响。结果表明，采用热聚合混合前驱体方法所制备的ｇ－Ｃ３Ｎ４的在逡逑见光照下光催化降解ＲｈＢ的活性以及光解水产氢的活性均明显高于传统方法制备逡逑ｇ－Ｃ３Ｎ４，，研究还发现热聚合温度对混合前驱体法制备ｇ－Ｃ３Ｎ４的活性有着重要的影逡逑，当温度为７００邋°Ｃ时，所得到的ｇ－Ｃ３Ｎ４活性最高。对所得产物进行物理化学性质逡逑表征，发现混合前驱体法制备的ｇ－Ｃ３Ｎ４具有结晶性更好，载流子分离能力更快以逡逑载流子寿命更长的优势。逡逑0逦ｏｈ逦0逦ｎｈ２逡逑
多孔氮化碳傶复合催化剂的设计、组装及光催化性能研宄逡逑ｇ－Ｃ３Ｎ４（ＣＮＮＳ）；对其在氩气（Ａｒ）气氛下于５５０邋°Ｃ热处理２ｈ成功制备了高度缩合逡逑的ｇ－Ｃ３Ｎ４微球（ＣＮＮＳ－５５０），制备过程以及微结构形貌如图１．５所示［２３］。光解水活性逡逑研宄表明ＣＮＮＳ－５５０样品比三聚氰胺热聚合制得的ｇ－Ｃ３Ｎ４（ＣＮ－Ｍ）活性高出很多。在逡逑同等测试条件下，ＣＮＮＳ－５５０在４２０邋ｎｍ的光照卜的表观量子效率（Ａｐｐａｒｅｎｔ邋ｑｕａｎｔｕｍ逡逑ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，邋ＡＱＥ）可达到１．６２邋％，而此时ＣＮ－Ｍ的ＡＱＥ仅为０．７５邋％。尽管该方法制备逡逑的ＣＮＮＳ－５５０样品活性较高，但制备过程较为繁琐，并且需要采用有毒易挥发溶剂。逡逑显然，该方法不适用工业化生产。逡逑：二？逦４邋跑．．．逦？：微逡逑＋逦＿１＿＾灥~=Ａ＿＝~Ja义希馘濉鯵"５，，２ｈpc
本文编号：2614778
【图文】：
驱体来制备ｇ－Ｃ３Ｎ４。逡逑Ｍａｒｔｈａ等人对含有三聚氰胺和尿素的混合前驱体进行热聚合处理，制备了产氢逡逑性较高的８－＜：３队样品［２｜］。当以１０％体积含量的三乙醇胺0＾0八）为牺牲剂，可逡逑光条件下，该ｇ－Ｃ＾ＮＵ的产氢速率可达到２４0ｎｍｏｌ‘ｇ＿Ｋｈ＿ｌ；而当负载ｌｗｔ％的Ｐｔ作逡逑助催化剂时，其产氢速率可以高达６７５邋ｐｍｏｒｇ＋ｈ—１，这主耍是由于以三聚氰胺和的混合前驱体制备的ｇ－Ｃ３Ｎ４样品的载流子分离能力更强。上海硅酸盐研究所施研究员课题组［２２］采用氨腈和尿素熔体作为混合前驱体，以２．０邋ＩＣｍｉｎ－１的升温速率，逡逑别在５００？７００邋°Ｃ温度范围内，对混合前驱体热处理４邋ｈ来制备ｇ－Ｃ３Ｎ４，其具体反逡逑步骤见图１．４。以ＲｈＢ为模拟污染物，考察了制备方法和热处理温度对所制备的光催化活性的影响。结果表明，采用热聚合混合前驱体方法所制备的ｇ－Ｃ３Ｎ４的在逡逑见光照下光催化降解ＲｈＢ的活性以及光解水产氢的活性均明显高于传统方法制备逡逑ｇ－Ｃ３Ｎ４，，研究还发现热聚合温度对混合前驱体法制备ｇ－Ｃ３Ｎ４的活性有着重要的影逡逑，当温度为７００邋°Ｃ时，所得到的ｇ－Ｃ３Ｎ４活性最高。对所得产物进行物理化学性质逡逑表征，发现混合前驱体法制备的ｇ－Ｃ３Ｎ４具有结晶性更好，载流子分离能力更快以逡逑载流子寿命更长的优势。逡逑0逦ｏｈ逦0逦ｎｈ２逡逑
多孔氮化碳傶复合催化剂的设计、组装及光催化性能研宄逡逑ｇ－Ｃ３Ｎ４（ＣＮＮＳ）；对其在氩气（Ａｒ）气氛下于５５０邋°Ｃ热处理２ｈ成功制备了高度缩合逡逑的ｇ－Ｃ３Ｎ４微球（ＣＮＮＳ－５５０），制备过程以及微结构形貌如图１．５所示［２３］。光解水活性逡逑研宄表明ＣＮＮＳ－５５０样品比三聚氰胺热聚合制得的ｇ－Ｃ３Ｎ４（ＣＮ－Ｍ）活性高出很多。在逡逑同等测试条件下，ＣＮＮＳ－５５０在４２０邋ｎｍ的光照卜的表观量子效率（Ａｐｐａｒｅｎｔ邋ｑｕａｎｔｕｍ逡逑ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，邋ＡＱＥ）可达到１．６２邋％，而此时ＣＮ－Ｍ的ＡＱＥ仅为０．７５邋％。尽管该方法制备逡逑的ＣＮＮＳ－５５０样品活性较高，但制备过程较为繁琐，并且需要采用有毒易挥发溶剂。逡逑显然，该方法不适用工业化生产。逡逑：二？逦４邋跑．．．逦？：微逡逑＋逦＿１＿＾灥~=Ａ＿＝~Ja义希馘濉鯵"５，，２ｈpc
本文编号：2614778
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/huaxue/2614778.html
教材专著
