少层石墨相氮化碳复合光催化剂的制备及光催化性能研究
发布时间：2021-11-20 03:53
二维纳米半导体材料,因其具有较大的横向尺寸和极小的厚度,产生了优良的物化性质,对许多领域的研究具有重要价值。半导体光催化剂本质上要受到光吸收剂、助催化剂以及分子/离子物质相互作用的影响,而且这些相互作用在很大程度上与半导体催化剂的几何特征有很强的关联。石墨相氮化碳（g-C3N4）是一种层状化合物,层与层之间靠微弱的范德华力和少量氢键相连接,可以通过破坏氢键制备少层的纳米片结构。因其具有良好的光响应特性,巨大的比表面积等在光催化领域中具有重要的研究价值。为研究少层g-C3N4在可见光区光催化技术中的应用,解决其可见光吸收能力不足、电子和空穴复合率高、电子传导性差,且存在对少层g-C3N4微观结构和电子转移特性认识不足等问题,本文分别利用构造异质结和非金属元素掺杂的改性方法,制备出两种少层g-C3N4基催化剂来改善其可见光催化活性,并利用XRD、BET、FT-IR、PL、TRPL、SEM、TEM、光电流和交流阻抗等表...
【文章来源】：华南理工大学广东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：90 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
(a)g-C3N4的三嗪结构(b)g-C3N4的三-s-三嗪（七嗪）结构[11]
华南理工大学硕士学位论文4前两个过程主要取决于半导体光催化剂自身固有的性质。在满足导带与价带位置与目标反应的氧化还原电势相匹配的条件下，禁带位置越窄越好，以便半导体在更宽的光谱范围内响应，吸收更多的太阳能能量产生更多的光生载流子。由于半导体光催化剂受光照激发而在体相内产生的光生载流子的分离、迁移和复合是竞争过程，光生载流子的复合过程是限制光催化反应效率提升的一个关键因素，因此，抑制光生载流子的复合，提高其光生载流子的迁移和分离速率是提高半导体光催化剂的光催化效率重要途径。第三个反应过程主要取决于半导体光催化剂材料的表面能态、结构和吸附特性。半导体光催化剂的表面电荷转移以及表面俘获亦是影响光生载流子复合的两个重要因素，因此，提高半导体表面电荷转移速率以及半导体表面吸附反应物质俘获光生载流子的速率能够有效抑制载流子的复合，提高半导体光催化剂的催化效率。光催化技术在不同方面应用过程中的催化机理仍在研究，而且在实际运用过程中，仍无法达到人们对能源需求与环境改善的要求，其中的关键因素是缺乏活性高，稳定性好的高效催化剂[14]。图1-2光催化剂基本反应原理Figure1-2Themechanismofphotocatalyticreaction1.3少层g-C3N4的制备方法近些年来，少层g-C3N4的制备方法得到不断的发展与进步，一系列原子极或接近原子级厚度的少层g-C3N4材料被合成出来，并展示出独特的性能[15]。主要有两种不同的策略，大多数方法都是通过自上而下地破坏范德华力来得到二维纳米片结构如现在常用的液相超声剥离法、酸碱刻蚀剥离，插层剂法；得益于化学合成方法的不断发展，也
华南理工大学硕士学位论文10图1-3H2O2诱导组装制备具有多孔结构和O掺杂的g-C3N4(灰色，蓝色和红色原子分别表示C，N和替换O)Figure1-3g-C3N4withporousstructureandOdopingpreparedbyH2O2inducedassembly(grey,blueandredatomsrepresentC,NandreplacementO)1.4.1.2金属元素掺杂除非金属元素掺杂外，金属元素掺杂如Fe、Cu、Zn、Ni等也被广泛应用于改善g-C3N4的光学和电子特性[51-57]。在三元N桥接的三嗪环中存在着一个大的N电子点(如图1-4)在g-C3N4的平面上。N电子点存在氮的六个孤电子对，是非常理想的金属离子插入点。因此，g-C3N4能轻易的捕获金属阳离子，并通过孤电子吸引金属阳离子产生强的相互作用[56]。Wang等[58]首次报道将金属元素Zn2+和Fe2+掺杂入到g-C3N4框架结构中，研究发现随着金属元素掺杂量的增加，g-C3N4对光的吸收出现红移，明显增强对可见光的吸收。表征发现即使Fe元素的掺杂量达到50%，在XRD中仍然观察不到其特征峰的出现，证明金属离子掺杂到N电子点并形成Fe-N键。Ding[54]等揭示了无论是Fe3+或者其他过渡金属阳离子如Ni2+、Cu2+、Co3+和Mn3+等都能插入到g-C3N4框架而不破坏其完整的结构，使光的吸收范围明显红移，抑制电子-空穴对的复合。除了过渡金属阳离子，碱金属离子如K+,Na+和Li+等也能通过插入N电子点的位置实现对g-C3N4的掺杂[59-63]。这些离子的掺杂能有效改善载流子的分离和转移效率，创造载流子在空间上的距离，而且增强光催化剂的还原势能。
本文编号：3506513
【文章来源】：华南理工大学广东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：90 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
(a)g-C3N4的三嗪结构(b)g-C3N4的三-s-三嗪（七嗪）结构[11]
华南理工大学硕士学位论文4前两个过程主要取决于半导体光催化剂自身固有的性质。在满足导带与价带位置与目标反应的氧化还原电势相匹配的条件下，禁带位置越窄越好，以便半导体在更宽的光谱范围内响应，吸收更多的太阳能能量产生更多的光生载流子。由于半导体光催化剂受光照激发而在体相内产生的光生载流子的分离、迁移和复合是竞争过程，光生载流子的复合过程是限制光催化反应效率提升的一个关键因素，因此，抑制光生载流子的复合，提高其光生载流子的迁移和分离速率是提高半导体光催化剂的光催化效率重要途径。第三个反应过程主要取决于半导体光催化剂材料的表面能态、结构和吸附特性。半导体光催化剂的表面电荷转移以及表面俘获亦是影响光生载流子复合的两个重要因素，因此，提高半导体表面电荷转移速率以及半导体表面吸附反应物质俘获光生载流子的速率能够有效抑制载流子的复合，提高半导体光催化剂的催化效率。光催化技术在不同方面应用过程中的催化机理仍在研究，而且在实际运用过程中，仍无法达到人们对能源需求与环境改善的要求，其中的关键因素是缺乏活性高，稳定性好的高效催化剂[14]。图1-2光催化剂基本反应原理Figure1-2Themechanismofphotocatalyticreaction1.3少层g-C3N4的制备方法近些年来，少层g-C3N4的制备方法得到不断的发展与进步，一系列原子极或接近原子级厚度的少层g-C3N4材料被合成出来，并展示出独特的性能[15]。主要有两种不同的策略，大多数方法都是通过自上而下地破坏范德华力来得到二维纳米片结构如现在常用的液相超声剥离法、酸碱刻蚀剥离，插层剂法；得益于化学合成方法的不断发展，也
华南理工大学硕士学位论文10图1-3H2O2诱导组装制备具有多孔结构和O掺杂的g-C3N4(灰色，蓝色和红色原子分别表示C，N和替换O)Figure1-3g-C3N4withporousstructureandOdopingpreparedbyH2O2inducedassembly(grey,blueandredatomsrepresentC,NandreplacementO)1.4.1.2金属元素掺杂除非金属元素掺杂外，金属元素掺杂如Fe、Cu、Zn、Ni等也被广泛应用于改善g-C3N4的光学和电子特性[51-57]。在三元N桥接的三嗪环中存在着一个大的N电子点(如图1-4)在g-C3N4的平面上。N电子点存在氮的六个孤电子对，是非常理想的金属离子插入点。因此，g-C3N4能轻易的捕获金属阳离子，并通过孤电子吸引金属阳离子产生强的相互作用[56]。Wang等[58]首次报道将金属元素Zn2+和Fe2+掺杂入到g-C3N4框架结构中，研究发现随着金属元素掺杂量的增加，g-C3N4对光的吸收出现红移，明显增强对可见光的吸收。表征发现即使Fe元素的掺杂量达到50%，在XRD中仍然观察不到其特征峰的出现，证明金属离子掺杂到N电子点并形成Fe-N键。Ding[54]等揭示了无论是Fe3+或者其他过渡金属阳离子如Ni2+、Cu2+、Co3+和Mn3+等都能插入到g-C3N4框架而不破坏其完整的结构，使光的吸收范围明显红移，抑制电子-空穴对的复合。除了过渡金属阳离子，碱金属离子如K+,Na+和Li+等也能通过插入N电子点的位置实现对g-C3N4的掺杂[59-63]。这些离子的掺杂能有效改善载流子的分离和转移效率，创造载流子在空间上的距离，而且增强光催化剂的还原势能。
本文编号：3506513
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