石墨相氮化碳（g-C 3 N 4 ）制备工艺的改进及其光催化性能研究
发布时间：2021-10-19 05:25
地球资源的长期使用导致能源枯竭、环境恶化等问题已变得极度尖锐,在此基调下,为高效洁净的再生能源代替传统资源提供了历史契机。光催化技术可直接获取、变换和贮存可再生太阳能,研究人员对此尤其关注。UV-Vis响应的g-C3N4不仅带隙跨度小（2.7 eV）,稳定性高,电子结构独特,而且仅由地球上储量丰富的非金属C和N构成,在环境清洁、制氢等领域广泛应用。然而,g-C3N4却有一个严重缺陷,即它的光生电荷分离效率低下,产生的e--h+对易重组,导致了低量子效率。因此,合理设计新的制备策略以促进光生e--h+对的分离并提高它们的寿命是现阶段的主要任务。基于此,本文从改进g-C3N4的制备方法和掺杂改性两个方向结合起来进行研究,研究主要内容如下:采用饱和盐溶液水热后处理法制备了一系列卤素掺杂的g-C3N4纳米棒,并考...
【文章来源】：辽宁石油化工大学辽宁省
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
一些典型的半导体带隙[20]
3（1）对特定波段光的俘获(λ700nm)（2）电荷的激发(hγ≥Eg)（3）电荷的分离与转移(10ns~100ps)（4）半导体催化剂表面发生光电催化反应(100ns~ms)具体来说，不同半导体的光吸收范围不同，如图1.2所示的光催化示意图。首先，在可见光的照射下，半导体会俘获特定波段的入射光，如短波长的近紫外光，当吸取的光量子(hγ)满足“hγ≥Eg”时，VB上的电子便被诱导挣脱轨道束缚向CB跃迁，从而分别在CB和VB上产生了光生e--h+对，统称为光生载流子。接着，光生e--h+对分别从CB和VB上发生分离、转移。其中，一部分光生载流子转移到半导体表面(途径C和D)，另一部分光生载流子由于其电荷的各向异性而通过库伦力相互吸引，在材料表层和内部再重组(途径A和B)，但重组时会产生荧光或热辐射而损失能量。最后，流体体相中的反应物或溶剂小分子经过扩散并附着到半导体表面，此时，当吸附在表面可接受电子的受体物质的电势比半导体的CB电势更正，以及吸附在表面可供给电子的给体物质的电势比VB电势更负时，半导体表面便可发生氧化还原反应，最终生成的产物再通过扩散回到流体体相中图1.2半导体光催化示意图[21,22]Fig.1.2SemiconductorphotocatalyticSchematicillustration[21,22]由此可见，光生e--h+对的生成和离散在整个光催化进程中承担着至关重要的作用。然而，光生e--h+由于其有效分离-捕获过程的速率要远低于其发生复合的速率，
71.1。并指出了该聚合物的5种晶相构型，其具体空间模型如图1.3所示。表1.1不同结构氮化碳的体弹性模量,结构参数和能量指数E0[45]Table1.1Bulkelasticmodulus,structuralparametersandenergyindexofcarbonnitridewithdifferentstructures[45]结构α-C3N4β-C3N4c-C3N4p-C3N4g-C3N4体弹性模量/GPa425451496448—空间群P31c(159)P3(143)I43d(220)P42m(111)P6m2(187)原子密度ρ/cm30.27260.27240.29570.28570.1776晶格常数a/nm0.646650.640670.539730.342320.47420c/nm0.470970.24041——0.67205E0/eV-1598.669-1598.403-1597.388-1597.225-1598.750研究表明，氮化碳聚合物的5种不同衍生物性质各异。其中，仅g-C3N4质地疏松，其他四种构型的硬度大到可以与金刚石相媲美，甚至硬度比金刚石还大。通常，室温下的g-C3N4最稳定，而β-C3N4最不稳定。此外，在一定压力下，它们还可以通过相变互相转变，如在12GPa下，g-C3N4就能转变成c-C3N4。因此，多元化形态的氮化碳材料给予了它宽广的应用空间。多年来，先后涌现出了各种不同的重要研究成果，尤其是石墨相氮化碳材料，它作为一个无金属的n型半导体，凭借独特的光电结构和物理化学性质使其成为一种新型功能材料。特别是在2009年，Wang等[46]发现g-C3N4可以利用太阳光裂解水制氢，至此以后，各国学者看到了g-C3N4在清洁能源、光电催化领域的潜在应用前景，g-C3N4受到了广泛重视。图1.3α-C3N4(a),β-C3N4(b),c-C3N4(c),p-C3N4(d)和g-C3N4(e)的构型示意图Fig.1.3Schematicillustrationofα-C3N4(a),β-C3N4(b),c-C3N4(c),p-C3N4(d)andg-C3N4(e)
本文编号：3444234
【文章来源】：辽宁石油化工大学辽宁省
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
一些典型的半导体带隙[20]
3（1）对特定波段光的俘获(λ700nm)（2）电荷的激发(hγ≥Eg)（3）电荷的分离与转移(10ns~100ps)（4）半导体催化剂表面发生光电催化反应(100ns~ms)具体来说，不同半导体的光吸收范围不同，如图1.2所示的光催化示意图。首先，在可见光的照射下，半导体会俘获特定波段的入射光，如短波长的近紫外光，当吸取的光量子(hγ)满足“hγ≥Eg”时，VB上的电子便被诱导挣脱轨道束缚向CB跃迁，从而分别在CB和VB上产生了光生e--h+对，统称为光生载流子。接着，光生e--h+对分别从CB和VB上发生分离、转移。其中，一部分光生载流子转移到半导体表面(途径C和D)，另一部分光生载流子由于其电荷的各向异性而通过库伦力相互吸引，在材料表层和内部再重组(途径A和B)，但重组时会产生荧光或热辐射而损失能量。最后，流体体相中的反应物或溶剂小分子经过扩散并附着到半导体表面，此时，当吸附在表面可接受电子的受体物质的电势比半导体的CB电势更正，以及吸附在表面可供给电子的给体物质的电势比VB电势更负时，半导体表面便可发生氧化还原反应，最终生成的产物再通过扩散回到流体体相中图1.2半导体光催化示意图[21,22]Fig.1.2SemiconductorphotocatalyticSchematicillustration[21,22]由此可见，光生e--h+对的生成和离散在整个光催化进程中承担着至关重要的作用。然而，光生e--h+由于其有效分离-捕获过程的速率要远低于其发生复合的速率，
71.1。并指出了该聚合物的5种晶相构型，其具体空间模型如图1.3所示。表1.1不同结构氮化碳的体弹性模量,结构参数和能量指数E0[45]Table1.1Bulkelasticmodulus,structuralparametersandenergyindexofcarbonnitridewithdifferentstructures[45]结构α-C3N4β-C3N4c-C3N4p-C3N4g-C3N4体弹性模量/GPa425451496448—空间群P31c(159)P3(143)I43d(220)P42m(111)P6m2(187)原子密度ρ/cm30.27260.27240.29570.28570.1776晶格常数a/nm0.646650.640670.539730.342320.47420c/nm0.470970.24041——0.67205E0/eV-1598.669-1598.403-1597.388-1597.225-1598.750研究表明，氮化碳聚合物的5种不同衍生物性质各异。其中，仅g-C3N4质地疏松，其他四种构型的硬度大到可以与金刚石相媲美，甚至硬度比金刚石还大。通常，室温下的g-C3N4最稳定，而β-C3N4最不稳定。此外，在一定压力下，它们还可以通过相变互相转变，如在12GPa下，g-C3N4就能转变成c-C3N4。因此，多元化形态的氮化碳材料给予了它宽广的应用空间。多年来，先后涌现出了各种不同的重要研究成果，尤其是石墨相氮化碳材料，它作为一个无金属的n型半导体，凭借独特的光电结构和物理化学性质使其成为一种新型功能材料。特别是在2009年，Wang等[46]发现g-C3N4可以利用太阳光裂解水制氢，至此以后，各国学者看到了g-C3N4在清洁能源、光电催化领域的潜在应用前景，g-C3N4受到了广泛重视。图1.3α-C3N4(a),β-C3N4(b),c-C3N4(c),p-C3N4(d)和g-C3N4(e)的构型示意图Fig.1.3Schematicillustrationofα-C3N4(a),β-C3N4(b),c-C3N4(c),p-C3N4(d)andg-C3N4(e)
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