g-C3N4基复合材料的制备及其光催化性能的研究

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环境和能源是制约现代社会可持续发展的不可忽略的原因之一。考虑到太阳能不仅本身相对储量丰富,而且易于将其获得、开发和利用。当前已经在发热、发电领域取得实质性进展,得到大规模的有效应用。因此研究人员考虑,基于半导体光催化方法,使利用太阳能光降解难处理的污染物成为控制环境的有利技术。类石墨相氮化碳(g-C3N4)作为一种无金属的光催化剂,因其不仅具有对可见光波段吸收的能带结构特性,同时抗化学腐蚀和高温环境的能力强,在光催化领域展现出广泛的应用价值。但g-C3N4也具有两大局限性,一是带隙宽度较大,对紫外光和可见光的利用率低,同时难以响应红外光;二是结晶不完全,使其导电性差,不利于光生电子迁移。因此针对g-C3N4存在的两个主要问题,首先构建g-C3N4-(NH4XWO3二元异质结,扩大光响应范围和强度,有效利用200nm-2500nm范围内的太阳光波段;其次构建g-C3N4-(NH4XWO3/GO三元异质结,促进光生电子迁移,改善光反应活性。通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)分析其结构和形貌;同时紫外-可见漫反射吸收光谱(UV-Vis-DRS)、荧光光谱(PL)和光电化学表征,研究光吸收和光生载流子分离效率。然后通过以罗丹明B为污染物,表征光催化活性及其机理。对于薄膜样品,分析其对太阳光谱中不同波段光的透过和吸收特性,以及薄膜隔热和光催化降解效果。研究主要内容如下:(1)采用热缩聚法和水热法制备出类石墨相g-C3N4、水热法制备出铵钨青铜(NH4XWO3,利用g-C3N4与(NH4XWO3表面电性的不同,通过简易的方法制备出g-C3N4-(NH4XWO3二元光催化剂。研究表明,g-C3N4具有典型的二维块体类石墨烯的层片状结构,(NH4XWO3由许多团聚的纳米颗粒和随机取向分布的纳米棒组成。复合之后,增大了样品比表面积。同时两者表面紧密接触,有利于光生载流子的迁移。两者形成的异质结,可以良好结合两者的光吸收特性,不仅使g-C3N4紫外光和可见光的光吸收增强,同时具有(NH4XWO3红外吸收特性。因此在不同光照下对罗丹明B光催化降解率明显提高,其中g-C3N4-2%(NH4XWO3效果最好。在紫外光下,光照10min后,降解了79.7%;可见光照射20min下,可以降解67.1%;红外光照180min后,降解了47.8%,降解速率均优于纯相g-C3N4。同时复合样品具有良好的稳定性和可重复性。此外制备的薄膜样品也存在良好的光降解活性,同时还能够吸收对人体有害的紫外光、保持高可见光透过率和阻隔红外光,因此具有自清洁隔热的多功能性。(2)基于g-C3N4-(NH4XWO3二元异质结结构,因此选用可以作为电子载体和传导体,同时对可见光有吸收的氧化石墨烯GO,构建g-C3N4-(NH4XWO3/GO三元异质结,进一步提高光催化活性。利用GO在水溶液中分散性好的优点,在二元g-C3N4-(NH4XWO3复合材料水溶液中,合成g-C3N4-(NH4XWO3/GO三元复合材料。研究表明GO有较大的比表面积和良好的吸附性,可以和g-C3N4、(NH4XWO3有效形成异质结。掺杂GO后,有效提高光谱响应范围和强度。同时GO具有很大的载流子电导率,可以作为复合材料电子传输的通道,以构建Z型异质结参与污染物的降解,进一步提高了光生载流子的氧化还原能力。以罗丹明B为污染物染料,测试样品的光催化活性,g-C3N4-2%(NH4XWO3/0.1%GO光降解效果最好。在紫外光下,光照10min后可以降解90.1%;可见光仅光照20min后可以降解79.8%,说明复合GO后三者有更好的协同作用。
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