石墨相氮化碳基光催化剂的制备及其产氢性能研究
发布时间：2022-02-19 03:47
进入21世纪以来,人类越来越发现自身面临着两大主要挑战:一是能源短缺问题,二是环境污染问题,这两个问题的存在已经严重制约了工业社会的长期性发展。出于自救目的,我们有必要寻找一种绿色的、可再生的新型能源来满足社会日益发展的需要,同时在发展过程中还应避免对环境造成污染。光催化技术有望解决人类当前所面临的困难,不仅是因为太阳能分布广、廉价易得、取之不尽,而且它还可以将太阳能转变为诸如氢能、电能以及化学能等其他形式的能量。2009年以来,一种新颖的半导体材料——石墨相氮化碳（g-C3N4）越来越受到研究者的关注。它拥有许多独特的性能,如合适的禁带宽度,安全无毒、物理化学稳定性高以及易于简单合成等等。然而,因为诸如有限的可见光吸收能力、光生电子空穴对易发生简单复合等等因素的制约,g-C3N4在实际生活中的应用还有很长一段路要走。为了解决上述问题,我们课题组采用了元素掺杂以及构建异质结构等方法来对g-C3N4进行改性,改性前后样品的光催化性能通过光催化分解水产氢实验来进行比较。与此同时,结合表征和实验数据,我们还尝试解释了光催化反应过程中载流子的分离、转移及反应机理。本论文的具体研究内容如下:1....
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省211工程院校985工程院校
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．２?ｐＨ＝０时，几种常见半导体相对于真空能级和标准氢电极的能带位置??
?．０Ｈ。．０２？和．０Ｈ均拥有强氧化活性，??可以将水体中的有机染料分子氧化分解成无害的小分子产物。在实验室阶段，虽??然多种半导体光催化体系可在数小时内将一定浓度的染料分子完全降解，但要想??真正推广到工业化阶段还存在不少挑战，比如：半导体光催化剂在水体里的均匀??分散问题、回收问题，浓度较大的污水对催化材料光吸收的屏蔽问题等等。??Ｄｙｅｓ?Ｃ０２?＋?Ｈ２０??＾ｉｍｍｅｒａｌｌｚａｔｉｏｎ??ｖ?．?於…Ｔｒｕｒｉｃａｔ＃ｄ??、，、太？叙、＇?ＶＳ？瓜、Ｖ‘??图１．３以半导体Ｔｉ０２为例，光照下降解水中有机染料分子的示意图??光催化Ｃ〇２还原。近年来，大气中的Ｃ０２浓度持续上涨，由其所引发的“温??室效应”己对人类的生活构成了越来越显著的影响。极端天气频发、海平面上升，??这些威胁促使人类寻找类似于植物“光合作用”的方式将大气中的Ｃ〇２固定下来??并转化为可以再次利用的碳氢化合物，以实现自然界中碳的循环，从而抑制Ｃ〇２??浓度的进一步上升。而光催化技术有望实现人工光合作用，它可以通过还原ｃｏ２??为碳氢化合物（ＣＯ、ＣＨ３ＯＨ、ＨＣ００Ｈ、ＨＣＯＨ、ＣＨ４等）的形式将太阳光能转??化为化学能ｆ１３］。Ｃ０２分子化学稳定性很高，因此，将其转化为其他碳氢化合物是??一个吸热过程。对应于不同产物，Ｃ０２在还原过程中所需的电子数、质子数以及??能量有所差别，公式（４）、（５）、（６）、（７）和（８）展示了几种常见产物的反应??方程式及在ｐＨ?＝?７时的氧化还原电位。正是由于氧化还原电位的不同，因此要??－５－??
论???电化学沉积法。下面将就常用的几种制备ｇ－Ｃ３Ｎ４的化学合成法作简要介绍。??（１）热聚合法??该方法因仅需一步即可简单、快捷的得到ｇ－Ｃ３Ｎ４样品而被广泛使用。通俗??来讲该方法就是将含有碳、氮元素的前驱物，如单氰胺、双氰胺、三聚氰胺、尿??素和硫脲等［２４＿２８］，置于瓷舟中，在空气或惰性氛围下升至一定温度即可得到ｇ－??Ｃ３Ｎ４。为了探宄不同温度阶段样品所发生的反应，Ｔｈｏｍａｓ等［２３］采用了热重法??（ＴＧＡ）和Ｘ－射线粉末衍射法（ＸＲＤ）表征了反应中间体。如图１．５所示，整个??合成过程就是一个不断加聚和缩聚的过程。首先，在大约２２０?°Ｃ时，单氰胺缩合??成双氰胺或者三聚氰胺，同时生成的氨气溢出；至３３５?°Ｃ时，样品全部为三聚氰??胺相关的产物；当温度进一步升至３９０?°Ｃ时，三聚氰胺分子重排得到均三嗪结构；??最终，当温度达到５２０°Ｃ时，均三嗪单体缩合成聚合型的ｇ－Ｃ３Ｎ４。若此时温度继??续升高，则ｇ－Ｃ３Ｎ４在６００°Ｃ时开始变得不稳定。而当温度超过７００°Ｃ时，ｇ－Ｃ３Ｎ４??则会完全分解成为氮气以及含氰基的碎片。??采用热聚合法制得的ｇ－Ｃ３Ｎ４，其性能主要受前驱物种类和实验条件的影响。??不同前驱物的选择会明显地影响ｇ－Ｃ３Ｎ４的理化性质，例如：最终样品的Ｃ、Ｎ原??子比例、孔隙率、比表面积、吸收带边的位置以及纳米结构等等［２９】。??Ｎ＇?Ｖ??Ａ?Ａ?ｒ?Ａ?Ａ?ＪＸ?Ｘｌ??？２?—印又叫?＿?１?义?＿?—?ｎＷＶ＇Ｗ?Ｎ??Ｃｙ＿ｉｄｅ?ＨｚＮ?ｍＨ２?ＮＶＮ?Ｎ又入人、??ＤｌＣｙａｎａ＿ｅ?Ｍｅｌａｍｉｎｅ?Ｍｅ?丨?ｅｍ??Ｐｏｌｙｍｅｒ
【参考文献】：
期刊论文
[1]碱金属掺杂的石墨相氮化碳在可见光光催化制氢中的比较研究(英文)[J]. 江静,曹少文,胡成龙,陈春华. 催化学报. 2017(12)
[2]阴极电沉积法制备高氮含量氮化碳薄膜[J]. 李超,曹传宝,朱鹤孙,吕强,黄福林. 应用化学. 2004(01)
博士论文
[1]石墨相氮化碳基光催化材料的制备及其性能研究[D]. 卢照.华中科技大学 2017
本文编号：3632155
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省211工程院校985工程院校
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．２?ｐＨ＝０时，几种常见半导体相对于真空能级和标准氢电极的能带位置??
?．０Ｈ。．０２？和．０Ｈ均拥有强氧化活性，??可以将水体中的有机染料分子氧化分解成无害的小分子产物。在实验室阶段，虽??然多种半导体光催化体系可在数小时内将一定浓度的染料分子完全降解，但要想??真正推广到工业化阶段还存在不少挑战，比如：半导体光催化剂在水体里的均匀??分散问题、回收问题，浓度较大的污水对催化材料光吸收的屏蔽问题等等。??Ｄｙｅｓ?Ｃ０２?＋?Ｈ２０??＾ｉｍｍｅｒａｌｌｚａｔｉｏｎ??ｖ?．?於…Ｔｒｕｒｉｃａｔ＃ｄ??、，、太？叙、＇?ＶＳ？瓜、Ｖ‘??图１．３以半导体Ｔｉ０２为例，光照下降解水中有机染料分子的示意图??光催化Ｃ〇２还原。近年来，大气中的Ｃ０２浓度持续上涨，由其所引发的“温??室效应”己对人类的生活构成了越来越显著的影响。极端天气频发、海平面上升，??这些威胁促使人类寻找类似于植物“光合作用”的方式将大气中的Ｃ〇２固定下来??并转化为可以再次利用的碳氢化合物，以实现自然界中碳的循环，从而抑制Ｃ〇２??浓度的进一步上升。而光催化技术有望实现人工光合作用，它可以通过还原ｃｏ２??为碳氢化合物（ＣＯ、ＣＨ３ＯＨ、ＨＣ００Ｈ、ＨＣＯＨ、ＣＨ４等）的形式将太阳光能转??化为化学能ｆ１３］。Ｃ０２分子化学稳定性很高，因此，将其转化为其他碳氢化合物是??一个吸热过程。对应于不同产物，Ｃ０２在还原过程中所需的电子数、质子数以及??能量有所差别，公式（４）、（５）、（６）、（７）和（８）展示了几种常见产物的反应??方程式及在ｐＨ?＝?７时的氧化还原电位。正是由于氧化还原电位的不同，因此要??－５－??
论???电化学沉积法。下面将就常用的几种制备ｇ－Ｃ３Ｎ４的化学合成法作简要介绍。??（１）热聚合法??该方法因仅需一步即可简单、快捷的得到ｇ－Ｃ３Ｎ４样品而被广泛使用。通俗??来讲该方法就是将含有碳、氮元素的前驱物，如单氰胺、双氰胺、三聚氰胺、尿??素和硫脲等［２４＿２８］，置于瓷舟中，在空气或惰性氛围下升至一定温度即可得到ｇ－??Ｃ３Ｎ４。为了探宄不同温度阶段样品所发生的反应，Ｔｈｏｍａｓ等［２３］采用了热重法??（ＴＧＡ）和Ｘ－射线粉末衍射法（ＸＲＤ）表征了反应中间体。如图１．５所示，整个??合成过程就是一个不断加聚和缩聚的过程。首先，在大约２２０?°Ｃ时，单氰胺缩合??成双氰胺或者三聚氰胺，同时生成的氨气溢出；至３３５?°Ｃ时，样品全部为三聚氰??胺相关的产物；当温度进一步升至３９０?°Ｃ时，三聚氰胺分子重排得到均三嗪结构；??最终，当温度达到５２０°Ｃ时，均三嗪单体缩合成聚合型的ｇ－Ｃ３Ｎ４。若此时温度继??续升高，则ｇ－Ｃ３Ｎ４在６００°Ｃ时开始变得不稳定。而当温度超过７００°Ｃ时，ｇ－Ｃ３Ｎ４??则会完全分解成为氮气以及含氰基的碎片。??采用热聚合法制得的ｇ－Ｃ３Ｎ４，其性能主要受前驱物种类和实验条件的影响。??不同前驱物的选择会明显地影响ｇ－Ｃ３Ｎ４的理化性质，例如：最终样品的Ｃ、Ｎ原??子比例、孔隙率、比表面积、吸收带边的位置以及纳米结构等等［２９】。??Ｎ＇?Ｖ??Ａ?Ａ?ｒ?Ａ?Ａ?ＪＸ?Ｘｌ??？２?—印又叫?＿?１?义?＿?—?ｎＷＶ＇Ｗ?Ｎ??Ｃｙ＿ｉｄｅ?ＨｚＮ?ｍＨ２?ＮＶＮ?Ｎ又入人、??ＤｌＣｙａｎａ＿ｅ?Ｍｅｌａｍｉｎｅ?Ｍｅ?丨?ｅｍ??Ｐｏｌｙｍｅｒ
【参考文献】：
期刊论文
[1]碱金属掺杂的石墨相氮化碳在可见光光催化制氢中的比较研究(英文)[J]. 江静,曹少文,胡成龙,陈春华. 催化学报. 2017(12)
[2]阴极电沉积法制备高氮含量氮化碳薄膜[J]. 李超,曹传宝,朱鹤孙,吕强,黄福林. 应用化学. 2004(01)
博士论文
[1]石墨相氮化碳基光催化材料的制备及其性能研究[D]. 卢照.华中科技大学 2017
本文编号：3632155
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