基于形貌可控氮化碳复合光催化剂的制备及其高效可见光光催化性能

发布时间：2017-08-14 21:33

  本文关键词：基于形貌可控氮化碳复合光催化剂的制备及其高效可见光光催化性能

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【摘要】：环境污染和能源危机是目前人类面临的两大突出问题,合理解决这两大问题是实现和谐社会可持续发展以及实现中华民族伟大复兴的基础。半导体光催化是一种近代新生技术,不仅能利用太阳光催化氧化废水中的有机污染物、净化空气中的有害气体,还能模仿植物光合作用将低密度太阳能转化为高密度化学能,并且无温室气体CO_2释放,对净化环境和解决能源危机具有潜在应用价值。然而,以TiO_2为代表的传统半导体光催化剂存在着诸多弊端,如光谱响应低、光利用率低、量子效率低和易失活等,从而严重制约了光催化技术的发展。g-C_3N_4材料因制备方法简单、原材料廉价和具有可见光催化活性而备受人们关注。然而,由三聚氰胺高温聚合得到的g-C_3N_4是一种多层状的体相结构,活性位点数少、光生载流子复合速率快和传质阻力大等缺点,严重抑制了其光催化活性。为此对g-C_3N_4材料进行改性显得十分必要。本文从半导体形貌控制、杂多酸掺杂、贵金属修饰、构建半导体异质节等方式来增强材料的光谱响应、提升光生载流子的分离传导速率、抑制光生载流子的复合速率、降低催化反应的传质阻力,从而提高材料的量子效率。同时,本文对催化剂的制备、催化材料的表征、催化反应进行了详细的探究。主要包括:1、首次利用淬火技术成功合成出氮化碳纳米管(C_3N_4 NTs),结果表明C_3N_4NTs对光催化降解持久性有机污染物和光劈裂水产氢表现出了较高的催化活性,并且管形貌能有效降低催化反应的传质阻力。2、以氮化碳纳米片和磷钨酸为原材料,首次采用溶剂热处理方式合成出H_3PW_(12)O_(40)/C_3N_4 NTs;研究表明,反应过程中氮化碳片结构上的氨基被羟基所取代,羟基聚合是纳米片卷曲成纳米管的主要原因;在对甲基橙(MO)和邻苯二甲酸二乙酯(DEP)矿化实验基础上,进一步推导出了一套详细的催化降解机理。3、采用一步溶剂热处理法,成功制备出Pt/C_3N_4 NTs复合材料;并将所合成的复合材料应用于光催化降解有机污染物、光催化劈裂水产氢和可见光条件下同时降解产氢;结果表明,复合材料在催化氧化有机污染物及劈裂水产氢方面均表现出高效的催化活性;同时降解产氢实验结果表明,以有机污染物为电子牺牲剂的同时降解产氢反应能够进行。4、在C_3N_4 NTs的基础上,以酚类物质为有机掺杂质,构建TiO_2包覆C_3N_4 NTs的复合材料C/X-TiO_2@C_3N_4 NTs(X=N、Cl、F),并探究了构建中间带隙对同时降解产氢性能的影响;在前期同时降解产氢工作的基础上,以罗丹明B(RB)为电子牺牲剂,探究了有机污染物浓度对光催化同时降解产氢性能的影响;研究表明以50 ppm RB为电子牺牲剂时,产氢量和底物降解率都最高。5、采用HCl和乙二醇(EG)共同处理三聚氰胺法成功制备出多孔氮化碳(pg-C_3N_4);研究结果表明,孔结构有利于提高材料的光吸收能力、延缓光生载流子复合,从而提高量子效率;pg-C_3N_4-(EG+HCl)材料对复合酚类废水具有较好的催化活性,在复合废水的处理方面具有较大的参考价值。6、为进一步提升材料的光催化活性,采用光还原沉积方法将Pt颗粒负载到pg-表面成功制备了HD-Pt/pg-C_3N_4复合材料;研究结果表明,Pt颗粒在材料表面分布均匀,有效克服了常规负载方式下Pt颗粒团聚严重的缺点;HD-Pt/pg-C_3N_4复合材料对甲基橙(MO)和对氟苯酚(PFP)催化性能结果表明,HD-Pt/pg-C_3N_4催化活性好、稳定性高。
【关键词】：光催化作用 石墨相氮化碳 纳米管 复合材料 降解 产氢
【学位授予单位】：南昌航空大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X703;O643.36
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-23
• 1.1 引言11-12
• 1.2 半导体光催化剂的光催化反应机理12-13
• 1.3 提高G-C_3N_4光催化活性的途径13-19
• 1.3.1 形貌控制13-15
• 1.3.2 半导体耦合15-16
• 1.3.3 贵金属沉积16-17
• 1.3.4 非金属掺杂17-18
• 1.3.5 染料敏化18-19
• 1.4 C_3N_4基光催化剂的实际应用展望19-20
• 1.5 本课题研究的意义及内容20-23
• 第二章 纳米片卷曲策略制备氮化碳纳米管及其高效可见光光催化性能23-33
• 2.1 引言23-24
• 2.2 实验部分24-25
• 2.2.1 试剂与仪器24
• 2.2.2 g-C_3N_4纳米管的制备24
• 2.2.3 g-C_3N_4纳米管的吸附与催化实验24-25
• 2.3 结果与讨论25-31
• 2.3.1 水诱导形貌转变法合成g-C_3N_4纳米管的形成机理25
• 2.3.2 材料形貌表征25-26
• 2.3.3 晶相、孔隙结构及表面性质表征26-28
• 2.3.4 光电性能表征28-29
• 2.3.5 吸附动力学、降解动力学和催化产氢性能29-31
• 2.4 结论31-33
• 第三章 一步水热法制备磷钨酸负载氮化碳纳米管及其高效可见光光催化性能33-47
• 3.1 引言33
• 3.2 实验部分33-35
• 3.2.1 试剂与仪器33-34
• 3.2.2 磷钨酸负载C_3N_4纳米管（H_3PW_(12)O_(40)/C_3N_4 NTs）的制备34
• 3.2.3 催化实验34-35
• 3.3 结果与讨论35-45
• 3.3.1 一步水热法合成H_3PW_(12)O_(40)/C_3N_4 NTs的机理35-36
• 3.3.2 复合材料的形貌及孔隙度表征36-37
• 3.3.3 复合材料的组成结构表征37-40
• 3.3.4 复合材料光电性能40-42
• 3.3.5 复合材料的光催化性能研究42-43
• 3.3.6 MO和DEP矿化以及中间产物分析43-45
• 3.3.7 结果讨论45
• 3.4 结论45-47
• 第四章 一步溶剂热法制备铂沉积氮化碳纳米管及其高效可见光光催化性能47-59
• 4.1 引言47
• 4.2 实验部分47-49
• 4.2.1 试剂与仪器47-48
• 4.2.2 Pt/C_3N_4NTs复合材料的合成48
• 4.2.3 催化实验48-49
• 4.3 结果与讨论49-58
• 4.3.1 形貌及孔隙特征49-50
• 4.3.2 材料的组成及结构特征50-53
• 4.3.3 光电性能分析53-55
• 4.3.4 催化性能研究55-58
• 4.4 结论58-59
• 第五章 C/X-TiO_2@C_3N_4 NTs (X = N, F, Cl)复合材料的制备及其高效可见光光催化性能59-75
• 5.1 引言59-60
• 5.2 实验部分60-62
• 5.2.1 试剂与仪器60
• 5.2.2 C_3N_4NTs复合材料的合成60-61
• 5.2.3 C/X-TiO_2@C_3N_4 NTs (X = N, F, Cl)复合材料的合成61
• 5.2.4 催化实验61-62
• 5.3 结果与讨论62-74
• 5.3.1 形貌及孔隙特征62-64
• 5.3.2 复合材料的组成及结构特征64-66
• 5.3.3 材料的光电特性66-71
• 5.3.4 光催化活性实验71-74
• 5.4 讨论74-75
• 第六章 前驱体预处理策略合成多孔氮化碳及其高效可见光光催化性能75-90
• 6.1 前言75-76
• 6.2 实验部分76-78
• 6.2.1 实验试剂与仪器76
• 6.2.2 多孔材料pg-C_3N_4的合成76-77
• 6.2.3 多孔材料pg-C_3N_4的催化实验77-78
• 6.3 实验结果与讨论78-83
• 6.3.1 材料形貌及孔隙结构表征78-79
• 6.3.2 材料晶相及组成结构表征79-82
• 6.3.3 材料光电性能表征82-83
• 6.4 多孔材料形成的机理83-84
• 6.5 催化材料活性性能测试84-88
• 6.5.1 单一与多元复合污染物的催化降解84-85
• 6.5.2 单一与多元复合污染物的催化降解85-88
• 6.6 结论88-90
• 第七章 高分散铂沉积多孔氮化碳的制备及其高效可见光光催化性能90-102
• 7.1 引言90
• 7.2 实验部分90-92
• 7.2.1 实验试剂与仪器90-91
• 7.2.2 HD-Pt/pg-C_3N_4复合材料的合成91
• 7.2.3 HD-Pt/pg-C_3N_4复合材料的光催化实验91-92
• 7.3 实验结果与讨论92-98
• 7.3.1 材料形貌及孔隙结构表征92-94
• 7.3.2 材料的组成及结构特征94-96
• 7.3.3 所合成材料的光电性能表征96-98
• 7.4 催化材料活性性能测试98-100
• 7.5 结论100-102
• 全文结论102-104
• 参考文献104-118
• 发表论文和参加科研情况118-120
• 致谢120-121

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