石墨相氮化碳及其负载纤维光催化降解有机污染物与耦合制氢的研究

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随着全球经济的快速发展,能源短缺现象和环境污染问题已经引起了全世界人民的关注。在经过人们长期地探索之后,光催化技术凭借着其独特的优势:取之不断,用之不竭的能量来源——太阳能,被人们认为是解决上述问题的较好方法。光催化技术可以利用反应中生成的、具有较强氧化性的基团,如:羟基自由基等,将各种有机污染物氧化,使其变为可生物降解的小分子物质,从而达到解决环境污染问题的目的;而在解决能源短缺现象这方面,光催化技术则是利用太阳能,将水分解,从而获得清洁能源——氢气。就目前的研究现状而言,与环境处理或能源开发相关的研究虽然已经取得了不少瞩目的成就,但是,利用光催化技术同时解决环境与能源问题的研究较少。因此,建立一个可以同时处理能源短缺现象和环境污染问题的体系,拥有重大的意义:寻找一些合适的有机污染物,来取代光催化分解水技术中的牺牲剂这一角色,将光催化氧化技术与光催化分解水技术相结合,在氧化有机污染物的同时,也促进水的分解,从而达到变废为宝的目的。在众多的光催化剂中,本文选取了一种可以被用来处理环境污染问题,还可以分解水制氢的粉末型无金属的光催化剂——石墨型氮化碳(g-C3N4)。它不仅无毒、易改性、拥有较强的可见光响应,还在上述的两个方面都拥有良好的应用前景。在本文中,我们采用了光沉积法将Pt负载到石墨相氮化碳上。利用了紫外漫反射(DRS),荧光光谱(PL),光电流测试等手段对催化剂的光化学性能进行了测试,并采用了透射电镜(TEM),X射线光电子能谱(XPS)对催化剂负载Pt的情况进行了表征。结果发现,在负载了Pt之后,催化剂的光生电子——空穴分离能力得到了改善。Pt主要以二价和零价的形式存在,被均匀地负载在g-C3N4的表面。随后,我们选择了以不同醇类和带羟基的物质来代替反应过程中的牺牲剂,发现含有多个羟基、且其水溶液为碱性的物质可以有效地促进氢气的生成。最后,本文选择了一种典型的、最具代表性的有机污染——罗红霉素为底物,去考察了当Pt/g-C3N4为光催化剂时,整个实验过程中,有机污染物被降解同时氢气被生成的情况。与此同时,我们也考察了底物的含量、反应时间等因素对催化体系的影响。并通过液相-质谱联用技术(UPLC-MS),探索了罗红霉素(Rox)的降解历程。在对罗红霉素的降解历程进行分析后,推断了其反应的机理。为了进一步优化催化剂的实用性,解决粉末型催化剂难回收、难再利用的缺点,本文采用离心纺丝技术,将石墨相氮化碳、聚丙烯腈(PAN)和聚乙二醇(PEG)的混合溶液纺制成纤维,最后再经过水洗,得到了具有多孔结构的光催化材料g-C3N4/PEG-PAN。在本文中,我们采用了扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)等分析技术手段,对催化剂进行了一系列的表征。发现所制备的纤维不仅负载上了光催化剂石墨相氮化碳,还有明显的、分布较为均匀的孔洞。随后,考察了光催化材料g-C3N4/PEG-PAN的光催化分解水制氢的能力,有机污染物罗红霉素对其产氢性能的影响,以及对上述两种催化剂的性能进行了对比。结果发现,所制得的光催化材料不仅拥有良好的循环使用性和可回收性,其催化性能也几乎与粉末型催化剂相同,展现了它良好的使用性能和化学性能。以上的一系列研究,也为今后解决相关的问题提供了新的思路。
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