g--C3N4基復(fù)合材料的制備及其光催化性能研究.pdf

1、隨著時(shí)代和經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人們面臨著環(huán)境污染和能源危機(jī)兩大難題。然而，半導(dǎo)體光催化技術(shù)可以在溫和的條件下將太陽能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能，光催化劑可以作為一種媒介，在光的照射下，雖然自身不發(fā)生變化，但是卻可以促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生，同時(shí)能徹底氧化分解有機(jī)物，催化水的分解制取氫氣和氧氣，還原大氣中的二氧化碳，在解決環(huán)境惡化和能源危機(jī)方面具有及其廣泛的應(yīng)用價(jià)值。
　　類石墨相氮化碳(g-C3N4)材料具有與石墨類似的片層結(jié)構(gòu)，由于廉價(jià)、易得、獨(dú)特的能

2、帶結(jié)構(gòu)和良好的物理化學(xué)性能，在光催化還原二氧化碳、光催化降解環(huán)境污染物和光解水制氫方面具有廣泛的應(yīng)用。但是，由于其自身存在的缺點(diǎn)，例如體相g-C3N4的比表面積較小，光生電子和空穴的復(fù)合率高，量子效率較低，對(duì)于可見光吸收范圍仍然較窄等等，這些缺點(diǎn)限制了其在環(huán)境能源領(lǐng)域的應(yīng)用。
　　本論文為了進(jìn)一步拓展g-C3N4可見光響應(yīng)型復(fù)合光催化材料在環(huán)境能源領(lǐng)域的應(yīng)用，首先通過調(diào)控類石墨相氮化碳g-C3N4的形貌，來拓展其比表面積，改善其易

3、團(tuán)聚的現(xiàn)象，增加可見光的利用率，增強(qiáng)其光催化性能;其次，通過與其它半導(dǎo)體復(fù)合，例如Ag3PO4/Ag，形成Z-scheme結(jié)構(gòu)，增加光生電子空穴對(duì)的分離，進(jìn)一步提高催化劑在可見光下的催化活性;最后，通過水熱法制備出多孔的g-C3N4納米片與TiO2和碳量子點(diǎn)復(fù)合材料，由于碳量子點(diǎn)的雙重作用，一方面可以催化雙氧水分解產(chǎn)生氫氣和氧氣，提高光催化產(chǎn)氫的效率，另一方面，碳量子點(diǎn)具有獨(dú)特的上轉(zhuǎn)換熒光作用，可以將長波長的可見光轉(zhuǎn)換成短波長的紫外光，

4、促使只在紫外線條件下響應(yīng)的二氧化鈦激發(fā)，產(chǎn)生光生電子和空穴對(duì)，同時(shí)抑制g-C3N4光生電子和空穴對(duì)復(fù)合，改善g-C3N4的催化活性，提高該納米復(fù)合材料對(duì)可見光的吸收，提高光催化產(chǎn)氫的效率。
　　本論文通過X射線衍射儀(XRD)、透射電子顯微鏡(TEM)、掃描電子顯微鏡(SEM)、能量色散光譜(EDS)、X射線光電子能譜(XPS)、紫外可見吸收光譜(UV-vis)、熒光光譜(PL)等表征方法對(duì)本實(shí)驗(yàn)制備的光催化劑復(fù)合材料的形貌、微觀

5、結(jié)構(gòu)、光學(xué)性能、光催化機(jī)理等進(jìn)行了深入細(xì)致的分析，可以充分證明復(fù)合材料催化劑的形成，并通過氣象色譜儀檢測(cè)該催化劑在可見光照射下分解水制氫的活性。
　　本論文的內(nèi)容主要分為以下三個(gè)方面:
　　1、類石墨相氮化碳(g-C3N4)材料的制備、形貌調(diào)控及光催化性能研究
　　首先通過在550℃的溫度下煅燒三聚氰胺，來得到g-C3N4的體相，再通過采用濃H2SO4、HNO3等強(qiáng)氧化劑將其氧化剝離刻蝕，從而形成g-C3N4納米片，g

6、-C3N4多孔結(jié)構(gòu)納米片，最后利用氨水采用水熱法制備出g-C3N4納米棒等結(jié)構(gòu)。利用SEM，TEM，XRD，EDS，UV等測(cè)試儀器對(duì)材料結(jié)構(gòu)及光吸收性能進(jìn)行了表征，同時(shí)對(duì)其進(jìn)行光催化降解MB的性能測(cè)試。
　　2、Ag3PO4/Ag/g-C3N4納米片復(fù)合材料的制備及其光催化性能的研究
　　為了抑制g-C3N4光生電子和空穴對(duì)的復(fù)合，提高其量子效率和產(chǎn)氫效率。采用上述方法制備出的g-C3N4納米片作為基底，利用離子交換共沉淀法

7、和光還原法相結(jié)合，制備出Ag3PO4/Ag/g-C3N4納米復(fù)合材料，探究了隨著Ag3PO4/Ag附著量的變化對(duì)光催化制氫效果的影響，結(jié)果表明，該復(fù)合材料具有很好的催化活能和光學(xué)穩(wěn)定性，光催化效率大幅度提升，相較于純g-C3N4納米片的產(chǎn)氫活性(～0.84μmol/gh)，所制備的納米復(fù)合材料的產(chǎn)氫最優(yōu)值(～4.1μmol/g h)提升了5倍，探究其原因是由于g-C3N4與Ag3PO4/Ag形成特殊的Z-Scheme結(jié)構(gòu)，Ag單質(zhì)可以作

8、為Ag3PO4導(dǎo)帶電子和g-C3N4納米片價(jià)帶空穴的復(fù)合中心，能夠有效促進(jìn)g-C3N4納米片光生電子和空穴快速分離，從而使光催化性能顯著提高。
　　3、g-C3N4/TiO2/C量子點(diǎn)復(fù)合材料的制備及其光催化性能的研究
　　為了增加g-C3N4對(duì)可見光的吸收，提高催化劑的活性。先通過水熱法制備了多孔的g-C3N4/TiO2異質(zhì)結(jié)復(fù)合材料，然后再利用蔗糖通過水熱法制備出碳量子點(diǎn)，然后通過直接耦合法在g-C3N4/TiO2異質(zhì)結(jié)

9、上成功地負(fù)載上碳量子點(diǎn)，制備了g-C3N4/TiO2/C量子點(diǎn)納米復(fù)合材料。單一的g-C3N4產(chǎn)氫活性比較微弱，產(chǎn)氫量為(0.07～μmol/g·h)，通過與TiO2形成異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)和負(fù)載C量子點(diǎn)以后，產(chǎn)氫活性具有質(zhì)的飛躍(6.4～μmol/g·h)，探究其提高機(jī)理，主要來自于碳量子點(diǎn)的雙重作用，一方面可以催化雙氧水分解，增加催化劑催化分解水制氫的能力，另一方面，其優(yōu)越的上轉(zhuǎn)換性能使該納米復(fù)合材料可以更大程度地利用可見光，使得光催化性能大