ZIF-8@g-C 3 N 4 异质结构的构筑及增强其光催化性能的研究
发布时间：2021-12-17 09:05
人类文明的发展始终伴随着能源问题和环境问题,尤其是进入二十一世纪以来,随着发展积累的恶果不断积累,环境保护和可持续发展已然成为了世界性课题。目前,光催化技术由于其绿色,环保,可持续等优点在环境保护领域深受喜爱。催化剂是光催化技术的核心,类石墨相氮化碳（g-C3N4）对可见光有响应,具有成为一种光催化剂的潜力。然而,其光催化性能并不高,产生的光生载流子易复合,且其光吸收范围较窄（<475nm）,比表面积较低活性位点有限,在应用当中收到了极大的制约。因此,本论文以g-C3N4为载体,将其与ZIF-8进行复合,构筑不同的异质结构,并探讨其在环境污染中的应用。主要研究类容如下:（1）室温下采用自组装法制备出ZIF-8@g-C3N4异质结构复合催化剂,并在模拟可见光光源下,通过降解亚甲基蓝（MB）染料来评估其光催化活性。结果表明,ZIF-8@g-C3N4异质结构复合催化剂相较于单一的ZIF-8,g-C3
【文章来源】：上海应用技术大学上海市
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
常见半导体能带结构[18]
第2页上海应用技术大学硕士学位论文1.2.2光催化技术原理光催化剂在进行光催化反应是会在催化剂内部发生一系列的反应，其示意图如1.2。具体来说，当催化剂受到光激发时，其价带上的电子吸收能量，从基态转变为激发态，跃迁到催化剂的导带上，在导带上形成电子富集，并在催化剂的价带上留下空穴。同时，部分电子吸收的能量不足，难以使电子跃迁到导带上，电子则会重新回到催化剂的价带上，并和空穴发生复合，以光子的形式释放能量，重新回到基态。成功跃迁到催化剂导带上的电子则会与催化剂表面吸附的氧气发生反应，生成具有超高氧化性的超氧自由基，这些超氧自由基则会与污染物反应，将其降解成无机小分子。而对于催化剂价带上的空穴来说，如果能够和水分子反应，则能够生成具有较高还原性的羟基自由基，如果无法和水分子反应，则直接与污染物反应，对污染物进行降解。对于光催化技术来说，电子和空穴的分离以及电子的跃迁，都会对催化剂的催化性能造成极大的影响，光生电子和空穴的分离和电子的跃迁，除了受到入射光能量的影响，还会受到催化剂内部的微电场以及电子浓度差的影响。图1.2半导体的光催化机理Fig1.2Bandstructureofseveralcommonsemiconductors半导体光催化剂在降解有机污染物的具体发生的反应如下[19-20]：photocatalyst+hv→photocatalyst(e-CB+h+VB)（1-1）h+VB+H2O→H++·OH（1-2）e-CB+O2→·O2-（1-3）e-CB+·O2-+2H+→H2O2（1-4）2H++2·O2-→O2+H2O2（1-5）
?肺榷ㄐ裕?谟τ糜诨肪炒?硎保?庠诘幕肪城榭鍪遣豢煽刂频模?虼?我们需要提高光催化剂材料的化学稳定性，物理稳定性，生物稳定性能等，增加材料的可重复性，尽量减小生产成本的投入。1.2.4异质结构早在1951年，异质结的概念就被前苏联科学家古巴诺夫提出，他将两个半导体或多个半导体之间的连接部分定义为异质结，较为可惜的是，限于当时的检测手段，古巴诺夫并未直接观测到异质结。异质结有多种分类方式，从过渡的情况来分，异质结可分为突变型和缓变型；从催化剂的能带结构来看，可以将异质结分为I型、II型和III型（图1.3），I型又称之为嵌入式异质结，II型则称为交错型异质结，III型一般称为避开型异质结。目前研究较多的是II型异质结，主要是由于II型半导体异质结构的复合光催化剂具有良好的界面效应，光生载流子能够有效的分离，复合催化材料的催化性能相对于单一材料能够得到较大的提升。半导体材料的禁带带宽决定了材料的光响应范围，带隙更窄，光响应范围更宽，并且需要更少的能量（即更长的波长）就能够产生光生载流子，但是存在的问题是由窄带隙半导体材料产生的光生载流子易于发生复合，从而影响催化剂的催化性能。而宽带隙的催化剂由于需要较强的光子才能激发光生载流子，因此在光催化性能也会受到影响。因此，科学家们通过将宽带隙的半导体和窄带隙的半导体复合得到异质结构复合光催化剂。利用窄带隙易激发和宽带隙不易复合的特点得到性能优异的光催化剂。图1.3三种不同类型的半导体异质结Fig.1.3Threedifferenttypesofsemiconductorheterojunction
【参考文献】：
期刊论文
[1]用于环境催化的MoS2/ZIF-8复合材料——太阳能驱动的抗生素降解工程[J]. 陈文倩,李琳悦,李林,裘文慧,唐量,徐玲,许科军,吴明红. Engineering. 2019(04)
[2]WO3/BiOBr光催化剂催化降解甲基橙溶液[J]. 曹江平,王莉琼,黄雪松,李雯欣,陈建林. 工业催化. 2018(08)
[3]ZnO/g-C3N4复合材料的制备及其光催化性能研究[J]. 刘艳丽,刘倩. 湖南大学学报(自然科学版). 2017(12)
[4]二硫化钼光催化剂的改性及其在水处理的应用研究进展[J]. 王楚璇,党晶晶,叶林静. 应用化工. 2017(09)
[5]金属镍掺杂g-C3N4的制备及其光降解性能[J]. 郑小刚,杜京城,李子黎,付孝锦,由耀辉,刘勇. 人工晶体学报. 2017(05)
[6]核壳结构CdS/ZnS微米球表面处理与光催化制氢性能的关系（英文）[J]. 苏进展,张涛,王璐,师进文,陈玉彬. 催化学报. 2017(03)
[7]二硫化钼纳米材料在光催化应用中的研究进展[J]. 黄飞,蒲雪超,冉濛,梁琦,赵辉,齐敏,闫爱华. 材料导报. 2016(15)
[8]TiO2@Ag3PO4光催化剂的制备及其紫外光催化降解番红花红T反应性能[J]. 李大军,贺惠. 应用化工. 2015(11)
[9]不同沉淀剂下水解法制备BiOCl的光催化性能研究[J]. 岳斌,高晓亚,王雅文,张小超,王韵芳,樊彩梅. 人工晶体学报. 2015(05)
[10]替代元素对光催化半导体Cu2ZnSnS4能带结构优化的第一性原理研究[J]. 黄丹,戴豪,谢政专,郭进. 广西科学. 2014(03)
本文编号：3539810
【文章来源】：上海应用技术大学上海市
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
常见半导体能带结构[18]
第2页上海应用技术大学硕士学位论文1.2.2光催化技术原理光催化剂在进行光催化反应是会在催化剂内部发生一系列的反应，其示意图如1.2。具体来说，当催化剂受到光激发时，其价带上的电子吸收能量，从基态转变为激发态，跃迁到催化剂的导带上，在导带上形成电子富集，并在催化剂的价带上留下空穴。同时，部分电子吸收的能量不足，难以使电子跃迁到导带上，电子则会重新回到催化剂的价带上，并和空穴发生复合，以光子的形式释放能量，重新回到基态。成功跃迁到催化剂导带上的电子则会与催化剂表面吸附的氧气发生反应，生成具有超高氧化性的超氧自由基，这些超氧自由基则会与污染物反应，将其降解成无机小分子。而对于催化剂价带上的空穴来说，如果能够和水分子反应，则能够生成具有较高还原性的羟基自由基，如果无法和水分子反应，则直接与污染物反应，对污染物进行降解。对于光催化技术来说，电子和空穴的分离以及电子的跃迁，都会对催化剂的催化性能造成极大的影响，光生电子和空穴的分离和电子的跃迁，除了受到入射光能量的影响，还会受到催化剂内部的微电场以及电子浓度差的影响。图1.2半导体的光催化机理Fig1.2Bandstructureofseveralcommonsemiconductors半导体光催化剂在降解有机污染物的具体发生的反应如下[19-20]：photocatalyst+hv→photocatalyst(e-CB+h+VB)（1-1）h+VB+H2O→H++·OH（1-2）e-CB+O2→·O2-（1-3）e-CB+·O2-+2H+→H2O2（1-4）2H++2·O2-→O2+H2O2（1-5）
?肺榷ㄐ裕?谟τ糜诨肪炒?硎保?庠诘幕肪城榭鍪遣豢煽刂频模?虼?我们需要提高光催化剂材料的化学稳定性，物理稳定性，生物稳定性能等，增加材料的可重复性，尽量减小生产成本的投入。1.2.4异质结构早在1951年，异质结的概念就被前苏联科学家古巴诺夫提出，他将两个半导体或多个半导体之间的连接部分定义为异质结，较为可惜的是，限于当时的检测手段，古巴诺夫并未直接观测到异质结。异质结有多种分类方式，从过渡的情况来分，异质结可分为突变型和缓变型；从催化剂的能带结构来看，可以将异质结分为I型、II型和III型（图1.3），I型又称之为嵌入式异质结，II型则称为交错型异质结，III型一般称为避开型异质结。目前研究较多的是II型异质结，主要是由于II型半导体异质结构的复合光催化剂具有良好的界面效应，光生载流子能够有效的分离，复合催化材料的催化性能相对于单一材料能够得到较大的提升。半导体材料的禁带带宽决定了材料的光响应范围，带隙更窄，光响应范围更宽，并且需要更少的能量（即更长的波长）就能够产生光生载流子，但是存在的问题是由窄带隙半导体材料产生的光生载流子易于发生复合，从而影响催化剂的催化性能。而宽带隙的催化剂由于需要较强的光子才能激发光生载流子，因此在光催化性能也会受到影响。因此，科学家们通过将宽带隙的半导体和窄带隙的半导体复合得到异质结构复合光催化剂。利用窄带隙易激发和宽带隙不易复合的特点得到性能优异的光催化剂。图1.3三种不同类型的半导体异质结Fig.1.3Threedifferenttypesofsemiconductorheterojunction
【参考文献】：
期刊论文
[1]用于环境催化的MoS2/ZIF-8复合材料——太阳能驱动的抗生素降解工程[J]. 陈文倩,李琳悦,李林,裘文慧,唐量,徐玲,许科军,吴明红. Engineering. 2019(04)
[2]WO3/BiOBr光催化剂催化降解甲基橙溶液[J]. 曹江平,王莉琼,黄雪松,李雯欣,陈建林. 工业催化. 2018(08)
[3]ZnO/g-C3N4复合材料的制备及其光催化性能研究[J]. 刘艳丽,刘倩. 湖南大学学报(自然科学版). 2017(12)
[4]二硫化钼光催化剂的改性及其在水处理的应用研究进展[J]. 王楚璇,党晶晶,叶林静. 应用化工. 2017(09)
[5]金属镍掺杂g-C3N4的制备及其光降解性能[J]. 郑小刚,杜京城,李子黎,付孝锦,由耀辉,刘勇. 人工晶体学报. 2017(05)
[6]核壳结构CdS/ZnS微米球表面处理与光催化制氢性能的关系（英文）[J]. 苏进展,张涛,王璐,师进文,陈玉彬. 催化学报. 2017(03)
[7]二硫化钼纳米材料在光催化应用中的研究进展[J]. 黄飞,蒲雪超,冉濛,梁琦,赵辉,齐敏,闫爱华. 材料导报. 2016(15)
[8]TiO2@Ag3PO4光催化剂的制备及其紫外光催化降解番红花红T反应性能[J]. 李大军,贺惠. 应用化工. 2015(11)
[9]不同沉淀剂下水解法制备BiOCl的光催化性能研究[J]. 岳斌,高晓亚,王雅文,张小超,王韵芳,樊彩梅. 人工晶体学报. 2015(05)
[10]替代元素对光催化半导体Cu2ZnSnS4能带结构优化的第一性原理研究[J]. 黄丹,戴豪,谢政专,郭进. 广西科学. 2014(03)
本文编号：3539810
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