改性氮化碳的制备及其光催化降解有机污染物的性能研究
发布时间：2021-03-07 04:42
光催化技术在环境污染治理方面展现出极大的应用价值,类石墨相氮化碳（g-C3N4,下文写作CN）是一种新型的半导体光催化剂,具有较高的光催化活性和稳定性,被广泛应用于光催化处理环境污染。然而CN的禁带宽度（Eg=2.7eV）使其可见光吸收范围受限,光生载流子的分离效率较低,影响了自身的光催化活性。为提高CN的光催化活性,本文着力于对CN进行以下研究:（1）制备Bi2S3/g-C3N4半导体复合材料;（2）制备NaBiO3/g-C3N4半导体复合材料;（3）NH4Cl辅助调控改性CN。运用XRD,FT-IR,SEM,TEM,XPS,BET,PL,UV-visDRS等表征手段对改性后催化剂的微观结构、光学性质进行分析,采用液相测试手段评价其光催化性能,主要工作内容如下:（1）微波合成Bi2S3/g-C3N
【文章来源】：重庆工商大学重庆市
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
半导体光催化原理示意图
重庆工商大学硕士学位论文6图1.2CN的两种可能的化学结构：三嗪（a）和三-s-三嗪（b）结构Fig.1.2TwopossiblechemicalstructuresofCN:1-3-s-triazines(a)andtris-s-triazines（b）[37].1.4.2类石墨相氮化碳的改性方法CN催化剂一般是由氰酰亚胺、三聚氰胺、尿素或二氰二胺等有机化合物为前躯体一步热聚合而成。CN的发现为处理环境污染和能源短缺问题带来了极大的应用价值，但是目前所制备的纯CN由于形貌和结构的因素，导致其光生电子-空穴的分离效率不高，从而不能高效地进行光催化反应[38]。为提高CN的光催化活性，研究者们对CN进行了大量改性工作，主要从以下几方面进行：（1）元素掺杂。对CN的电子结构进行调控能够促进光生载流子的分离效率，提高光催化活性，通过对CN进行元素掺杂正是基于该理论。元素掺杂包括两类：金属掺杂和非金属掺杂。Fe[39]、Zn[40]、Cu、Ni等金属元素被广泛用于掺杂CN，Jing等[41]通过热处理工艺将Ni-Cu双金属纳米颗粒成功地固定在CN纳米片的表面，与纯CN相比，原位引入Ni-Cu后，双金属Ni-Cu的优异电导率以及Ni-Cu与CN之间的紧密界面接触对于提高电荷转移速率可以显著提高光催化制氢性能，提供了一种将Ni-Cu双金属纳米粒子原位加载到CN上的新方法。Wang等[42]以金属基活性离子液体FeCl4为原料，多次煅烧制备了Fe基离子液体掺杂CN光催化剂，将Fe3+被掺杂到CN的骨架中。铁掺杂量显著加速光生载流子的分离，提高了可见光催化活性。同样，非金属元素掺杂改性CN也有大量研究，如C[43]、N[44]、O、P、S等。Liu等[45]证明了CN通过热合成可以同时与S、P和O非金属原子共掺杂，剥落成超薄的2D纳米片。第一性原理计算和实验证据表明，在CN骨架中元素掺杂后，S原子占据了中间原子位置，P原子和O原子分别
重庆工商大学硕士学位论文8图1.3p型SnSeNPs和n型g-C3N4复合材料形成p-n结的示意图（a），SnSe/g-C3N4纳米复合材料降解染料分子的光催化机理原理图（b）。Fig.1.3Schematicofthep-njunctionformationbyp-typeSnSeNPsandn-typeg-C3N4composites(a).SchematicofthephotocatalyticmechanismtodegradedyemoleculesbytheSnSe/g-C3N4nanocomposites(b)[55].（4）微观结构调控。对CN进行微观结构调控的研究近年来成为热点，对其形貌进行调控可以改变比表面积和孔容，从而提高光催化活性，例如纳米管、纳米棒、二维纳米片、多孔结构等形貌调控现已有大量研究。BathulaBabu等[56]一步成功地制备了多孔和二维CN纳米片，与块状CN相比，二维纳米片状结构和多孔结构具有较大的比表面积，能够为光催化反应提供更多的活性位点，有助于提高光催化活性。通过对CN进行缺陷调控可以改变其结构和物理化学性质，使其具有更宽的可见光吸收范围，降低电子-空穴的复合效率，提高光催化活性。Hong等[57]以硫代硫酸铵为弱氧化剂，用简便的水热法成功地将氮缺陷引入到CN中。缺陷化学和光电化学结合改进CN的电子结构，使氮缺陷CN催化剂具有以往相似的晶相组成、尺寸区分和比表面积，同时具有较宽的可见光吸收光谱。Li等[58]通过将CN在CO2气氛中进行煅烧，成功地将碳空位引入到CN中，碳空位导致g-C3N4的结构特征和物理化学性质发生改变，比表面积和孔体积的变化提高了光催化活性。1.4.3改性类石墨相氮化碳的应用随着现代工业和农业的快速发展，几十年来大量有毒有害污染物被排放到环境中，严重威胁到人类的生存与生态平衡。CN为聚合物层状催化材料，其结构与石墨烯相似。目前，CN在光催化处理环境污染和能源转换方面的应用很多。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Mg/O共同修饰无定形氮化碳的独特电子结构增强光催化对四环素盐酸盐的降解（英文）[J]. 吴晓璐,傅敏,卢鹏,任秋燕,汪成. 催化学报. 2019(05)
[2]MoS2/Bi2S3异质结光催化剂的制备及其光催化性能[J]. 王永剑,张亮,赵朝成,刘宗梅,郭锐,韩建鹏. 化工环保. 2018(03)
[3]g-C3N4/Bi2S3复合物的制备及可见光催化降解MO[J]. 张志贝,李小明,陈飞,杨麒,钟宇,徐秋翔,杨伟强,李志军,陈寻峰,谢伟强. 环境科学. 2016(06)
[4]p-n异质结型光催化剂BiOBr/NaBiO3的制备与可见光催化活性[J]. 姬磊,王浩人,于瑞敏. 高等学校化学学报. 2014(10)
本文编号：3068417
【文章来源】：重庆工商大学重庆市
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
半导体光催化原理示意图
重庆工商大学硕士学位论文6图1.2CN的两种可能的化学结构：三嗪（a）和三-s-三嗪（b）结构Fig.1.2TwopossiblechemicalstructuresofCN:1-3-s-triazines(a)andtris-s-triazines（b）[37].1.4.2类石墨相氮化碳的改性方法CN催化剂一般是由氰酰亚胺、三聚氰胺、尿素或二氰二胺等有机化合物为前躯体一步热聚合而成。CN的发现为处理环境污染和能源短缺问题带来了极大的应用价值，但是目前所制备的纯CN由于形貌和结构的因素，导致其光生电子-空穴的分离效率不高，从而不能高效地进行光催化反应[38]。为提高CN的光催化活性，研究者们对CN进行了大量改性工作，主要从以下几方面进行：（1）元素掺杂。对CN的电子结构进行调控能够促进光生载流子的分离效率，提高光催化活性，通过对CN进行元素掺杂正是基于该理论。元素掺杂包括两类：金属掺杂和非金属掺杂。Fe[39]、Zn[40]、Cu、Ni等金属元素被广泛用于掺杂CN，Jing等[41]通过热处理工艺将Ni-Cu双金属纳米颗粒成功地固定在CN纳米片的表面，与纯CN相比，原位引入Ni-Cu后，双金属Ni-Cu的优异电导率以及Ni-Cu与CN之间的紧密界面接触对于提高电荷转移速率可以显著提高光催化制氢性能，提供了一种将Ni-Cu双金属纳米粒子原位加载到CN上的新方法。Wang等[42]以金属基活性离子液体FeCl4为原料，多次煅烧制备了Fe基离子液体掺杂CN光催化剂，将Fe3+被掺杂到CN的骨架中。铁掺杂量显著加速光生载流子的分离，提高了可见光催化活性。同样，非金属元素掺杂改性CN也有大量研究，如C[43]、N[44]、O、P、S等。Liu等[45]证明了CN通过热合成可以同时与S、P和O非金属原子共掺杂，剥落成超薄的2D纳米片。第一性原理计算和实验证据表明，在CN骨架中元素掺杂后，S原子占据了中间原子位置，P原子和O原子分别
重庆工商大学硕士学位论文8图1.3p型SnSeNPs和n型g-C3N4复合材料形成p-n结的示意图（a），SnSe/g-C3N4纳米复合材料降解染料分子的光催化机理原理图（b）。Fig.1.3Schematicofthep-njunctionformationbyp-typeSnSeNPsandn-typeg-C3N4composites(a).SchematicofthephotocatalyticmechanismtodegradedyemoleculesbytheSnSe/g-C3N4nanocomposites(b)[55].（4）微观结构调控。对CN进行微观结构调控的研究近年来成为热点，对其形貌进行调控可以改变比表面积和孔容，从而提高光催化活性，例如纳米管、纳米棒、二维纳米片、多孔结构等形貌调控现已有大量研究。BathulaBabu等[56]一步成功地制备了多孔和二维CN纳米片，与块状CN相比，二维纳米片状结构和多孔结构具有较大的比表面积，能够为光催化反应提供更多的活性位点，有助于提高光催化活性。通过对CN进行缺陷调控可以改变其结构和物理化学性质，使其具有更宽的可见光吸收范围，降低电子-空穴的复合效率，提高光催化活性。Hong等[57]以硫代硫酸铵为弱氧化剂，用简便的水热法成功地将氮缺陷引入到CN中。缺陷化学和光电化学结合改进CN的电子结构，使氮缺陷CN催化剂具有以往相似的晶相组成、尺寸区分和比表面积，同时具有较宽的可见光吸收光谱。Li等[58]通过将CN在CO2气氛中进行煅烧，成功地将碳空位引入到CN中，碳空位导致g-C3N4的结构特征和物理化学性质发生改变，比表面积和孔体积的变化提高了光催化活性。1.4.3改性类石墨相氮化碳的应用随着现代工业和农业的快速发展，几十年来大量有毒有害污染物被排放到环境中，严重威胁到人类的生存与生态平衡。CN为聚合物层状催化材料，其结构与石墨烯相似。目前，CN在光催化处理环境污染和能源转换方面的应用很多。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Mg/O共同修饰无定形氮化碳的独特电子结构增强光催化对四环素盐酸盐的降解（英文）[J]. 吴晓璐,傅敏,卢鹏,任秋燕,汪成. 催化学报. 2019(05)
[2]MoS2/Bi2S3异质结光催化剂的制备及其光催化性能[J]. 王永剑,张亮,赵朝成,刘宗梅,郭锐,韩建鹏. 化工环保. 2018(03)
[3]g-C3N4/Bi2S3复合物的制备及可见光催化降解MO[J]. 张志贝,李小明,陈飞,杨麒,钟宇,徐秋翔,杨伟强,李志军,陈寻峰,谢伟强. 环境科学. 2016(06)
[4]p-n异质结型光催化剂BiOBr/NaBiO3的制备与可见光催化活性[J]. 姬磊,王浩人,于瑞敏. 高等学校化学学报. 2014(10)
本文编号：3068417
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