基于g-C3N4量子點(diǎn)的異質(zhì)結(jié)光電極的制備及其降解酚類的性能研究.pdf

1、長(zhǎng)期以來(lái)，半導(dǎo)體光催化劑以其在處理能源危機(jī)和環(huán)境污染方面的巨大應(yīng)用潛力而備受關(guān)注，其中以 TiO2半導(dǎo)體材料的研究最為普遍。然而，目前常用的光催化劑大多存在光響應(yīng)范圍窄、光生電荷復(fù)合嚴(yán)重等問(wèn)題，成為阻礙光催化技術(shù)發(fā)展的主要障礙。硅材料是另外一種常用光催化材料，其具有儲(chǔ)量豐富、加工技術(shù)成熟的優(yōu)點(diǎn)，但硅材料目前面臨的最大問(wèn)題是在空氣和水溶液中極易鈍化，使其表面形成絕緣的氧化層，阻礙光生電荷的傳遞，進(jìn)而影響光電催化性能。針對(duì) TiO2和硅材料

2、存在的問(wèn)題，本文研究制備了石墨相氮化碳量子點(diǎn)（g-C3N4 QDs），將其作為保護(hù)層材料來(lái)修飾 TiO2納米管（TNTAs）及硅納米線（SiNWs）材料。g-C3N4是一種具有可見(jiàn)光響應(yīng)的不含金屬的半導(dǎo)體光催化材料，光響應(yīng)能力和電子傳遞能力較強(qiáng)。g-C3N4量子點(diǎn)具有尺寸小、光化學(xué)穩(wěn)定性高等的特點(diǎn)，將其作為修飾材料包覆在其他半導(dǎo)體表面，可以起到拓寬可見(jiàn)光吸收范圍、防止光腐蝕及降低光生電荷復(fù)合率的作用，從而提高材料的光電催化效率。

3、　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴選取三聚氰胺為材料來(lái)源，采用直接熱聚合法制備g-C3N4，然后依次通過(guò)酸剝離、水熱法、超聲振蕩等步驟逐步剝離，制備出g-C3N4量子點(diǎn)（g-C3N4 QDs）溶液。隨后，通過(guò)陽(yáng)極氧化法制備TiO2納米管陣列，并采用浸漬沉積法將g-C3N4 QDs沉積到TNTAs表面制備g-C3N4 QDs/TNTAs復(fù)合物。TEM結(jié)果表明，g-C3N4 QDs的尺寸分布在2-6 nm之間，主要集中在3 nm左右。SEM結(jié)果表明

4、，Ti基底生長(zhǎng)的納米管陣列由大量細(xì)小的納米管組成，排列規(guī)則整齊，呈現(xiàn)出有序的 TiO2納米管陣列形貌。紫外可見(jiàn)漫反射光譜測(cè)試結(jié)果表明，修飾g-C3N4 QDs后，TiO2納米管在紫外區(qū)和可見(jiàn)光區(qū)的響應(yīng)能力都明顯增強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)中對(duì)復(fù)合物的制備條件進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)果表明，量子點(diǎn)溶液濃度為0.2 mg mL-1，浸漬60 min時(shí)，所制備的g-C3N4 QDs/TNTAs復(fù)合物表現(xiàn)出最佳的性能。光照下光電流密度最大達(dá)到0.64 mA/cm2(0.6

5、 Vvs. SCE)，是未修飾TNTAs的4.3倍，表明復(fù)合物具有較高的光生電子-空穴分離能力。在光電催化降解苯酚的實(shí)驗(yàn)中，g-C3N4 QDs/TNTAs復(fù)合物同樣表現(xiàn)出良好的光電催化性能。在氙燈照射下，偏壓為0.6 V時(shí)，g-C3N4 QDs/TNTAs在120 min內(nèi)對(duì)苯酚的降解率可達(dá)到98.6%，而相同條件下TNTAs對(duì)苯酚的降解率僅為59.3%。對(duì)動(dòng)力學(xué)常數(shù)的計(jì)算結(jié)果表明，g-C3N4 QDs/TNTAs復(fù)合物降解苯酚過(guò)程中

6、的動(dòng)力學(xué)常數(shù)為0.032 min-1，是未修飾TNTAs（0.007 min-1）的4.6倍。⑵采用化學(xué)刻蝕法制備了硅納米線陣列，隨后采用浸漬沉積法制備得到SiNWs@g-C3N4 QDs復(fù)合光催化劑。SEM結(jié)果顯示，SiNWs垂直地生長(zhǎng)在Si基底表面，且隨刻蝕時(shí)間的不斷延長(zhǎng)，SiNWs的長(zhǎng)度增加。TEM圖像顯示，SiNWs@g-C3N4 QDs復(fù)合光催化劑中g(shù)-C3N4 QDs包覆在SiNWs表面形成保護(hù)層，同時(shí)在SiNWs的表面也有

7、納米孔的形成。XPS結(jié)果表明，SiNWs@g-C3N4 QDs復(fù)合物由Si、C、N、O元素組成。光電化學(xué)測(cè)試結(jié)果表明，刻蝕時(shí)間為5 min，硅納米線長(zhǎng)度為2μm時(shí)的SiNWs表現(xiàn)出比較穩(wěn)定的光電化學(xué)性質(zhì)，SiNWs@g-C3N4 QDs的光電流密度最大達(dá)到6.7 mA cm-2（偏壓-1.5 V vs. SCE），是未修飾SiNWs的1.6倍。光電催化降解4-氯酚的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，可見(jiàn)光照射下，偏壓為-1.2V(vs. SCE)時(shí)，SiN