石墨相g-C3N4復(fù)合光催化劑的制備及其光催化性能研究.pdf

1、光催化技術(shù)作為一種綠色高級氧化技術(shù)，在能源開發(fā)和環(huán)境污染控制領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。石墨相g-C3N4因具備可見光響應(yīng)能力及高穩(wěn)定性被視作一種極具前景的可見光光催化劑。然而，其光生載流子分離效率低及價帶空穴氧化能力較弱的問題制約了g-C3N4在光催化領(lǐng)域的發(fā)展。針對以上問題，本文通過構(gòu)建高效的異質(zhì)結(jié)體系，利用異質(zhì)結(jié)內(nèi)建電場作用促進光生載流子分離，提高光催化量子效率，從而提高石墨相g-C3N4的光催化活性。論文的主要研究內(nèi)容如下:

2、　　(1)采用化學(xué)吸附法制備聚酰亞胺(PI)/g-C3N4異質(zhì)結(jié)光催化劑。經(jīng)PI修飾的復(fù)合PI/g-C3N4異質(zhì)結(jié)光催化劑具有良好的可見光響應(yīng)能力和較高的光生電荷分離能力，其光電流密度是g-C3N4的4倍。以2,4-二氯苯酚(2,4-DCP)作為模擬污染物的光催化降解實驗結(jié)果表明，經(jīng)過4小時可見光照射后，PI/g-C3N4異質(zhì)結(jié)光催化劑對2,4-DCP的降解率達到98％，光催化反應(yīng)動力學(xué)常數(shù)是單獨g-C3N4的3.8倍，表現(xiàn)出優(yōu)異的光催

3、化活性。通過對PI與g-C3N4的能帶位置的分析和利用基于密度泛函理論(DFT)計算對二者電子結(jié)構(gòu)的分析發(fā)現(xiàn)，二者之間匹配的能帶位置關(guān)系及PI自身具備的高效光生電荷分離能力特性有利于光生載流子在界面處及PI內(nèi)部的高效分離，提高g-C3N4的光生載流子分離效率，PI/g-C3N4異質(zhì)結(jié)光催化劑表現(xiàn)出優(yōu)異的可見光光催化活性。
　　(2)通過原位化學(xué)沉積法制備高效Ag2CrO4/g-C3N4異質(zhì)結(jié)光催化劑。Ag2CrO4的引入拓寬了g-

4、C3N4在可見光區(qū)的光響應(yīng)范圍，并且Ag2CrO4/g-C3N4異質(zhì)結(jié)光催化劑光生電荷分離能力較單獨g-C3N4有明顯提高，其光電流密度為g-C3N4的4.4倍?？梢姽夤獯呋到?,4-DCP實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Ag2CrO4/g-C3N4異質(zhì)結(jié)光催化劑表現(xiàn)出優(yōu)異的光催化活性。經(jīng)2小時反應(yīng)后，Ag2CrO4/g-C3N4異質(zhì)結(jié)光催化劑對2,4-DCP的降解率達到94％，光催化反應(yīng)動力學(xué)常數(shù)是單獨g-C3N4的5.2倍。利用密度泛函理論(DFT

5、)計算對Ag2CrO4的電子結(jié)構(gòu)進行研究發(fā)現(xiàn)，Ag2CrO4自身具有較高的光生載流子分離能力，有利于光生載流子快速遷移至表面參與反應(yīng)。同時，活性自由基捕獲實驗與電子自旋共振測試結(jié)果表明該高效異質(zhì)結(jié)光催化劑中光生載流子的遷移方式按照基于Z機制的方式進行，在提高催化劑光生載流子分離效率的同時，保留了復(fù)合催化劑組分中氧化還原能力較強的光生電子與空穴。
　　(3)采用靜電自組裝和熱處理法制備了二維層狀BiOIO3/g-C3N4異質(zhì)結(jié)光催化

6、劑。BiOIO3納米片與g-C3N4片之間通過面與面接觸方式緊密結(jié)合形成異質(zhì)結(jié)，該二維層狀異質(zhì)結(jié)不僅具有較大的比表面積，有利于對污染物的吸附，而且能有效促進g-C3N4光生電荷分離，提高光生載流子分離效率。光電測試結(jié)果表明，該復(fù)合光催化劑的光電流密度是單獨g-C3N4的4.1倍，具有較高的光生載流子分離能力。通過模擬太陽光下光催化分解水產(chǎn)氫和降解2,4,6-三氯苯酚(2,4,6-TCP)實驗來考察BiOIO3/g-C3N4異質(zhì)結(jié)光催化劑

7、在光催化產(chǎn)清潔能源和光催化環(huán)境污染控制領(lǐng)域的應(yīng)用。結(jié)果表明，該二維層狀BiOIO3/g-C3N4異質(zhì)結(jié)催化劑具有優(yōu)異的光催化活性，其光催化產(chǎn)氫速率和光催化降解2,4,6-TCP活性分別是單獨g-C3N4的3.5倍和4.8倍，且具有良好穩(wěn)定性。其中，2,4,6-TCP光催化降解實驗中的活性自由基捕獲實驗發(fā)現(xiàn)，羥基自由基和超氧自由基是該光催化反應(yīng)中的主要活性物種。結(jié)合液質(zhì)聯(lián)用(LC-MS)技術(shù)對中間產(chǎn)物分析發(fā)現(xiàn)，該光催化降解2,4,6-TC