石墨相氮化碳的制备、改性及其光催化性能的研究

• 作 者: 刘瑞峰
• 出 处: 江苏大学
• 发表日期: 2019年01期
• 关键词: 光催化技术 g-C3N4纳米片 异质结构 光催化降解

近年来,社会的快速发展引发了能源过度利用和环境污染等问题。大力开发清洁,高效,可再生的新型能源工作势在必行,而半导体光催化技术被认为是有效的策略。作为对可见光响应的半导体催化剂之一,石墨相氮化碳（g-C₃N₄）具有诸多的优点,如:廉价的原材料,简单的合成方法,良好的热稳定性,化学稳定性,适合的能带位置和禁带宽度等,使其备受关注。然而,利用简单热聚合的制备方法获得的g-C₃N₄不仅比表面积较低,反应的活性位点较少,而且光生电子和空穴的复合率较高,从而表现出较差的光催化活性。因此,制备高效g-C₃N₄基的复合光催化剂来改善其在可见光条件下的光催化性能的研究工作尤为重要。本文主要针对上述提出g-C₃N₄自身的问题,通过控制形貌,引入助催化剂以及复合不同的半导体等有效方法对g-C₃N₄进行改性,提高了其自身的比表面积,增加了光反应的活性位点以及提升了光生载流子的转移速率,从而提高了光催化活性。利用不同的表征方法研究了所获得催化剂的形貌,结构以及性能等。同时,通过光催化降解和活性物种捕获实验分析了催化剂的催化活性和可能的反应机理。本论文的研究内容主要有:（1）采用短时间超声辅助剥离和溶剂热的协同处理方法在乙二醇溶剂中制备了超薄g-C₃N₄纳米片（U-CNs-4）。所获得的U-CNs-4厚度在4-5 nm范围内。与其他样品相比,U-CNs-4的光催化活性明显增强。同时,降解RhB的效率是体相g-C₃N₄（B-CN）的4.4倍。增强的光催化活性主要是由于U-CNs-4光催化剂增大了自身的比表面积,提供了更多的反应活性位点,增强了空穴（h⁺）的氧化能力以及提高了光电荷的转移能力,从而提升了光生电子和空穴的分离效率和光催化活性。最后,基于活性物种捕获和电子自旋共振（ESR）实验提出了可能的光催化反应机理。（2）石墨烯作为光催化体系中的助催化剂,不仅可以抑制光生电子-空穴的重组,还能够保持半导体自身原有的氧化还原能力。采用静电自组装策略合成了包含石墨烯（GO和RGO）和g-C₃N₄纳米片（CN-S）的三种2D/2D复合异质结光催化剂。通过电子显微镜分析研究CN-S/GR的2D纳米结构。同时,基于DRS,PL和光电化学分析,发现石墨烯的引入不仅极大的提高了CN-S的光吸收能力,同时还提升了光生电子-空穴的分离效率。与其他催化剂相比,使用NaHSO₃作还原剂还原GO制备的CN-S/RGO-C纳米复合材料具有对RhB最佳的光催化降解效果,是CN-S的5.8倍。最后,提出了CN-S/GR纳米复合材料在可见光下催化降解RhB可能的反应机理。（3）在高温热剥离体相g-C₃N₄制备g-C₃N₄纳米片的同时在其表面原位生长出WO₃,随后采用静电自组装策略在HNO₃溶液中再与GO复合,制备了三元Z型g-C₃N₄纳米片/WO₃/GO（CWG）复合光催化剂。与其他光催化剂相比,CWG三元复合物表现出对RhB最佳的光催化降解效果。CWG光催化剂增强的光催化性能主要源于三个组分之间的协同作用:Z型异质结的形成抑制了光生载流子的快速复合并保留了半导体自身的氧化还原能力,GO作为助催化剂不仅可以促进电荷转移,还可以提供丰富反应活性位点以及增强对光的吸收能力。此外,通过对CWG复合光催化剂的活性物种捕获和电子自旋共振（ESR）的结果分析,提出了可能的光催化反应机理。