氮化碳基光催化剂的可控制备及其性能与机理研究

发布时间：2021-10-08 02:13

　　化石能源的短缺及其环境污染是全球关注的热点问题。氢能作为一种“零污染、零碳、能量密度高、环境友好、来源广”的可持续清洁能源之一在全球能源分配中扮演着重要角色。光催化技术由于可以利用自然界中的太阳能作为驱动力实现光催化分解水制氢和降解有机污染物,所以受到科研工作者的广泛关注。因此,为了将氢能作为可再生能源桥梁和高效的去除水中的有机污染物,迫切需要寻找一种廉价高效的光催化剂。近年来,石墨相氮化碳（g-C₃N₄）因具有来源广、仅由碳和氮两种元素组成、绿色环保、廉价易得、热稳定性和抗腐蚀性好、禁带宽度约为2.7 eV且还原能力强等优势受到了许多科研工作者的青睐。然而,单一的g-C₃N₄在光激发下,光生电子和空穴位于相同的3,s-三嗪环中（空穴位于N和电子位于C）,从而导致其光生电子-空穴很容易重新复合。此外,g-C₃N₄具有小的比表面积和低的太阳能利用率等缺点极大的限制了其在光催化领域的应用。因此,通过调控形貌、引入碳质媒介和设计给体-受体（Donor-Accep... 

【文章来源】：江苏大学江苏省

【文章页数】：200 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

能源危机、氢能源优势和水污染危害Fig.1.1Energycrisis,advantagesofhydrogenenergyandhazardsofwaterpollution

江苏大学博士学位论文3图1.2（a）光催化反应的三个基本步骤；（b）光催化产氢和（c）降解有机污染物机理图[30]Fig.1.2(a)Threebasicstepsofphotocatalyticreaction;Mechanismdiagramof(b)photocatalytichydrogenproductionand(c)degradationoforganicpollutants[30]1.3g-C3N4光催化剂的发展目前，越来越多的半导体材料被陆续开发出来并应用于光催化制氢和降解有机污染物，分类方式也多种多样。根据光催化半导体化学成份进行分类可分为硫化物（如：Cu2WS4[31,32]、MoS2[33-35]、CdS[36-40]、Ag2S[41,42]、AgIn5S8[43,44]）、氧化物（如：Bi2WO6[45-48]、SnNb2O6[49-52]、SrTiO3[53,54]、TiO2[55-58]、ZnO[59,60]）和氮氧化物（如：TaON[61,62]、LaNbON2[63]、SrNbO2N[64]、CaNbO2N[65]）。然而无论是硫化物、氧化物还是氮氧化物在光催化制氢或者除去有机污染物方面都具有不同的优势和缺点，硫化物即便具有优异的光催化活性，但是面临着容易光腐蚀、稳定性差等问题。氧化物虽然具有合适的能带结构、合成方法简单但是具有产量低、可见光的利用率低等不足。氮氧化物虽然具有广泛的光吸收范围，仍然存在光生载流子分离效率差、氮氧根容易被腐蚀等问题。而理想的光催化剂不仅要具有广泛的光吸收能力、合适的能带结构、良好的稳定性、简便的合成方法、无二次污染而且要拥有高效的光催化活性。因此，寻找一种合适的光催化材料是推动光催化制氢快速发展和解决环境污染问题的重要途径。自2009年王心晨教授课题组开创性的研究了聚合物半导体g-C3N4在可见光下进行光催化分解水制氢以来，g-C3N4因不含金属、窄带隙（2.7eV）、适当的光学波长（460nm）、合适的能带结构（导带约为-1.13eV）、良

氮化碳基光催化剂的可控制备及其性能与机理研究4溶剂）受到了越来越多的关注[66-73]。首先，g-C3N4的制备方法简单多样，可以直接热解地球上丰富的氮前驱体，例如三聚氰胺、双氰胺、氰酰胺、尿素、硫脲、硫氰酸铵等[74,75]，并可以通过化学处理很容易的进行功能化修饰（图1.3a）。其次，很容易通过各种方法构建复合光催化剂，其组成、尺寸、厚度、孔隙结构、尺寸分布和形貌均可调节。因此，通过图1.3b-c发现，从2009年以来g-C3N4在光催化和其他领域每年发表文章数量逐年增加，且在光催化领域当中光催化降解有机污染物和光催化制氢的研究也逐年增多。虽然g-C3N4具有上述的一些优势，然而它在光催化中却因为载流子复合率高、导电性低和可见光吸收有限等问题大大的阻碍了它在实际中的应用[76-78]。为了进一步完善g-C3N4，提高光催化活性，需要对g-C3N4的改性方法进行全面的了解。图1.3（a）不同原料制备g-C3N4的示意图[75]；（b）g-C3N4基光催化剂自2009年以后文章出版数量及在光催化领域的文章出版数量和（c）g-C3N4基光催化剂自2009年以后在光催化各个领域的文章出版数量Fig.1.3(a)Schematicdiagramofpreparationofg-C3N4fromdifferentrawmaterials[75];(b)Thenumberofarticlespublishedong-C3N4-basedphotocatalyst,thenumberofarticlespublishedinthefieldofphotocatalysisand(c)invariousfieldsofphotocatalysissince20091.4提高g-C3N4光催化剂活性的策略目前，虽然许多科研工作者对g-C3N4在光催化制分解水制氢和降解有机污


本文编号：3423230