石墨相氮化碳的改性与表征及其光催化分解水制氢的研究

发布时间：2020-11-01 21:21

　　 氢能由于具有清洁无污染燃烧值高等特点,成为一种潜在的替代化石燃料的新型能源,因此氢能的开发与利用受到研究人员广泛的关注。光催化分解水制氢技术是一种获取氢气的绿色有效途径,该技术可以把低密度的太阳能转化为高密度的氢能,氢能的有效开发与利用可以缓解人类面临的环境污染和能源短缺两大问题。光催化剂材料的开发构建与选择是光催化分解水制氢技术重要的环节之一。本文以石墨相氮化碳(g-C_3N_4)为主体材料,对其进行形貌调控、贵金属Pt纳米颗粒负载并且与SiC复合,构建出了 g-C_3N_4-Pt、g-C_3N_4-SiC和g-C_3N_4-SiC-Pt三种光催化剂材料,并对这三种光催化剂分别进行形貌与结构表征,同时考察其光催化分解水制氢的性能。首先,通过溶胶沉积和焙烧相结合的方法制备g-C_3N_4-SiC复合光催化剂,当SiC与g-C_3N_4的质量比为5%时,且在500℃下焙烧4 h合成出的g-C_3N_4-SiC复合光催化剂的光催化活性最高,其在可见光下光催化分解水制氢速率为543.6μmol·h~(-1)·g~(-1),量子效率为 2.52%。其次,在此基础上采用环境友好的植物还原溶胶沉积法将贵金属Pt纳米颗粒负载在g-C_3N_4和g-C_3N_4-SiC的表面,分别获得g-C_3N_4-Pt、g-C_3N_4-SiC-Pt两种光催化剂。g-C_3N_4-Pt和g-C_3N_4-SiC-Pt光催化剂均展现出良好的可见光光催化活性与稳定性,在可见光驱使下的光催化分解水制氢速率分别为:582.4μmol·h~(-1)·g~(-1)和595.3μmol h~(-1)·g~(-1),平均量子效率分别为:2.70%和2.76%。最后,通过透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)等表征手段都一致证明本实验所制备的g-C_3N_4是薄层的二维片状材料,在g-C_3N_4-Pt和g-C_3N_4-SiC-Pt两种光催化剂中贵金属Pt纳米颗粒均匀地负载到了 g-C_3N_4和g-C_3N_4-SiC的表面且贵金属Pt纳米颗粒均能够与g-C_3N_4和g-C_3N_4-SiC紧密结合;而在g-C_3N_4-SiC复合光催化剂中,SiC也能够均匀地负载在g-C_3N_4的表面,有的SiC还被g-C_3N_4所包裹形成核壳结构。紫外-可见漫反射光谱(UV-vis DRS)的表征结果显示g-C_3N_4-Pt、g-C_3N_4-SiC和g-C_3N_4-SiC-Pt三种光催化剂都比单一的g-C_3N_4对可见光的吸收范围更广且吸收率更高。固体光致发光光谱(PL)表征结果显示g-C_3N_4-Pt、g-C_3N_4-SiC和g-C_3N_4-SiC-Pt三种光催化剂的光生载流子的复合率比单一的g-C_3N_4的要低,从而其光催化分解水制氢的活性要高于单一的g-C_3N_4。Pt纳米颗粒与SiC和g-C_3N_4的界面之间形成莫特-肖特基,SiC与g-C_3N_4两种半导体界面之间形成有机-无机异质结,这些微观结构的生成促使光生电子与空穴定向迁移,从而有利于光生载流子的有效分离,进而提高光催化剂的光催化活性与稳定性。从而得出结论:通过对单一的g-C_3N_4进行形貌调控,贵金属Pt纳米颗粒负载以及与SiC复合等改进措施,是g-C_3N_4的光催化分解水制氢活性得到提升的有效途径。
【学位单位】：厦门大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O643.36;TQ116.2
【部分图文】：

在室温常压下ｇ－Ｃ３Ｎ４具有优良的耐磨性、化学稳定性和热稳定性，这一性能为??ｇ－Ｃ３Ｎ４的应用提供了广阔的空间。２００９年，％＆１增等［２２］报道ｇ－Ｃ３Ｎ４在可见光的??照射下可以催化分解水制氢。至此，ｇ－Ｃ３Ｎｄｔ为有机聚合物半导体光催化剂开始??成为光催化分解水制氢领域的研究热点。??１．２．２．２石墨相氮化碳的结构??石墨相氮化碳（ｇ－Ｃ３Ｎ４）是二维层状材料，其层与层之间是以分子间作用力??和范德华力结合的。２００８年，Ｔｈｏｍａｓ?Ａｍｅ等［２３］认为ｇ－Ｃ３Ｎ４可能存在三嗪环（Ｃ３Ｎ４和七嗪环（Ｃ６Ｎ７）两种结构单元，如图１－１?（ａ）和（ｂ）所示。２００２年，Ｋｒｏｋｅ?Ｅｄｗｉｎ??等［２４］经过理论模拟计算认为七嗪环（Ｃ６Ｎ７）是实验合成片层结构ｇ－Ｃ３Ｎ４的基结构单元，如图１－１?（ｃ）所示，因为由七嗪环单元构成的ｇ－Ｃ３Ｎ４比三嗪环单构成的ｇ－Ｃ３Ｎ４的热力学能量要低３０?ｋＰｍｏｒ１左右，所以由七嗪环单元构成ｇ－Ｃ３Ｎ４的结构更加的稳定。??

??反应五个小时之后其产氢量是最多的，达到了?１７９５?｜ｉＬ，从图３－２?（ｂ）中可以看??出ｇ－Ｃ３Ｎ４－６５０的产氢速率最快，达到１６０．３ｔｉｍｏｌ．ｈ＋ｇ＿ｉ，即三聚氰胺在６５０?°Ｃ焙??烧制成的ｇ－Ｃ３Ｎ４的光解水活性最高。所以在本实验研宂的后续工作中所制备??ｇ－Ｃ３Ｎ４均是在空气气氛中６５０?°Ｃ温度下焙烧４ｈ完成的。??１?Ｉ?ｇ－Ｃ．＇?Ｎ－４５０?，、?＿?＿〇〇??１８００?－＾｜ｙ．ＣＮｉ－５０（）?⑷?＇ｊｊ５?＾?（ｂ）?１６０．３??二?画?０．凡－５５（＞?｜??３．?１５００?－?［￣￣７￣１?＾．Ｃ?Ｎ?－６＜Ｈ）?ｉ｜?ｊ?■〇??ｗ?ｗｍ?ｅ－Ｃ?Ｎｒ６５（）?■?Ｉ?Ｉ．??ＵＪｌ“Ｉ??ｗ?ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?ＩＩ?Ｉ???Ｉ?Ｉ?Ｉ???ｉ??１２?３?４?５?ｇ－Ｃ＼Ｎ，?１５０?ｙ－Ｃ；Ｎ，?５００?ｇ－Ｃ；Ｎ，?．ｒ）５０?ｉｉ－Ｃ，Ｎ４?Ｂ〇〇?ｇ－Ｃ，Ｎｉ?＾５０??Ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ?Ｔｉｍｃ／ｈ?Ｃａｌｃｉｎａｔｉｏｎ?Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ?／°Ｃ??图３－３不同焙烧温度下制备ｇ－Ｃ３Ｎ４的光催化活性（ａ）所制备样品的产氢总量（ｂ）所??制样品的产氢速率??Ｆｉｇｕｒｅ?３－３?Ｔｈｅ?ｐｈｏｔｏｃａｔａｌｙｔｉｃ?ｏｆ?ｇ－Ｃ３Ｎ４ｉｎ?ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ?ｃａｌｃｉｎａｔｉｏｎ?ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ?（ａ）?ｔｈｅ?ｔｏｔａｌ??ａｍｏｕｎｔ?ｏｆ?Ｈ２?ｐｒｏｄｕｃｅｄ?ｕｎｄｅｒ?ｔｈｅ?ｐｈｏｔｏｃａｔａｌｙｓｉｓ?ｏｆ?ａｓ－ｐｒｅｐａｒｅｄ?ｓａｍｐｌｅｓ

??图３－４是本实验在进行ｇ－Ｃ３Ｎ４－６５０光催化分解水制Ｍ过程屮所使用的不Ｎ牺??牲试剂对光催化性能的影响，加入的辆牲试剂体积是反应液的１０％?（太？离水??９０?ｍＬ，牺牲试剂１０?ｍＬ）。当不加入牺牲试剂即反应体系中只使用ｇ－Ｃ３Ｎ４－６５０??光催剂、纯水和１?ｗｔ％的贵金属Ｐｔ，光照五个小时之后Ｈ２产量几乎为零。而加??入牺牲试剂之后，光催化制氢体系明显有Ｈ２产生，其中加入三乙醇胺之后其产??氢效果最优。另外做了一组相应的对照实验，即在该光催化体系中不加入??ｇ－Ｃ；ｖＮ４－６５０光催化剂，只加入去离子水、三乙醇胺（ＴＥＯＡ）和氯铂酸溶液，光??照五个小时之后发现该光催化体系几乎没有出生成即ＴＥＯＡ本身是小会分解水??产氢的，所以在本实验的后续光催化分解水制氢性能评价丨：作屮采用的牺牲试剂??均为三乙醇胺（ＴＥＯＡ）。??２０００－????—■—?ｐｕｒｅ?ｗａｔｅｒ??－—？—ｍｅｔｈａｎｏｌ??＾?—Ａ—?ｌａｃｔｉｃ?ａｃｉｄ??＾?
【参考文献】

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本文编号：2866116