銀-石墨相氮化碳(Ag-g-C3N4)的制備及光催化性能研究.pdf

1、日益嚴重的能源短缺和環(huán)境污染問題逐漸影響到人類的生活和生存，光催化技術(shù)因其能利用太陽能光解水產(chǎn)生氫氣以及降解污染物而備受關(guān)注。不同于僅對紫外光響應(yīng)的傳統(tǒng)光催化劑，能被可見光驅(qū)動的催化劑g-C3N4因其獨特的電子結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定的物理化學(xué)性質(zhì)而吸引了科學(xué)工作者的目光，大量的研究工作圍繞其相繼開展。但是單一的g-C3N4存在著比表面積小、對可見光的利用率低以及光生載流子復(fù)合率高等不足之處，這極大地限制了其在光催化領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，如何改善g-C3

2、N4光催化性能的應(yīng)用基礎(chǔ)研究具有重要的現(xiàn)實意義。本研究分為兩個部分：
　　第一部分：采用氣體疏松法以C2H4N4和NH4Cl為反應(yīng)前驅(qū)體，利用NH4Cl在受熱過程中產(chǎn)生的大量氣體而形成介孔結(jié)構(gòu)的g-C3N4納米片，在多孔g-C3N4納米片上沉積不同質(zhì)量分數(shù)的金屬Ag納米粒子，得到Ag/g-C3N4復(fù)合催化劑。通過SEM、EDS、AFM、XRD、FTIR、XPS、BET、UV-vis光譜、PL發(fā)射譜、瞬態(tài)光電流響應(yīng)以及電化學(xué)阻抗對光

3、催化劑樣品的微觀形貌、晶體結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分、比表面積以及光電性質(zhì)進行測試表征，同時還對Ag/g-C3N4的光催化機制作出了合理的推測。結(jié)果表明，約4 nm的單質(zhì)Ag納米粒子成功負載在厚度約1.06 nm的g-C3N4納米片上，納米片僅相當(dāng)于3層C-N原子層厚度。g-C3N4納米片的BET比表面積為65.1 m2·g-1。Ag/g-C3N4相比g-C3N4納米片，其對可見光的吸收增強，光生電子和空穴對的轉(zhuǎn)移和分離更有效。另外，實驗著重分析了

4、金屬Ag納米粒子的負載量對g-C3N4光催化性能的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)金屬Ag納米粒子的負載量為5%時，Ag/g-C3N4復(fù)合光催化活性最高。Ag/g-C3N4復(fù)合光催化劑的催化活性之所以能得到有效提高，主要歸因于Ag納米粒子和介孔g-C3N4納米片的協(xié)同作用。這一方法為g-C3N4的改性提供了新的思路。
　　第二部分：選用C3H6N3作為反應(yīng)先驅(qū)物并對其用HNO3處理，在處理過程中加入AgNO3溶液，烘干后高溫煅燒，一步得到多孔長條狀A(yù)

5、g/g-C3N4。同樣對g-C3N4和Ag/g-C3N4催化劑的形貌結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成以及光電性質(zhì)進行了表征測試。結(jié)果表明Ag以單質(zhì)形式吸附于基體表面，說明成功地一步合成了Ag/g-C3N4復(fù)合光催化劑。條狀g-C3N4的直徑為1~2μm，長度可達數(shù)十個微米，表面粗糙多孔，為光催化反應(yīng)提供了更多的吸附活性位點。相比于體相g-C3N4和純 g-C3N4，Ag/g-C3N4對可見光的響應(yīng)范圍變寬而且響應(yīng)強度明顯增強，同時具有更迅速的電荷遷移分離

6、速率和更低的光生電子空穴復(fù)合率。在可見光下測試了g-C3N4和Ag/g-C3N4降解RhB的效果，當(dāng)在基體上負載5%的Ag時，Ag/g-C3N4復(fù)合光催化劑的光催化活性最高。在降解RhB實驗中，在240 min內(nèi)5%Ag/g-C3N4的降解速率是體相g-C3N4的3.5倍。Ag/g-C3N4復(fù)合光催化劑之所以具有較優(yōu)異的光催化性能，是因為沉積的Ag納米粒子與介孔長條g-C3N4基體共同發(fā)揮作用。一步合成介孔條狀A(yù)g/g-C3N4復(fù)合催化

7、劑能有效提高催化劑光催化性能，這對研究g-C3N4光催化劑的改性具有一定的參考意義。提高g-C3N4比表面積的同時，在g-C3N4表面負載一定量的貴金屬Ag納米顆粒，大大增加了g-C3N4表面的反應(yīng)位點和吸附位點，明顯提高了g-C3N4對可見光的吸收與響應(yīng)，同時有效促進了g-C3N4光生載流子的遷移和分離，從而顯著改善了g-C3N4光催化劑的反應(yīng)活性。本文工作為研究開發(fā)高活性的g-C3N4光催化劑以及其他光催化劑提供了新的途徑和借鑒意義