g-C3N4復(fù)合光催化材料的設(shè)計(jì)合成及其光催化性能研究.pdf

1、光催化技術(shù)的核心是高效光催化材料的設(shè)計(jì)與合成。氮化碳(g-C3N4)材料具有類石墨相結(jié)構(gòu)，由于廉價、易得、獨(dú)特的能帶結(jié)構(gòu)和良好的熱學(xué)穩(wěn)定性，被廣泛應(yīng)用于光解水制氫、光催化降解環(huán)境污染物和光催化還原CO2。本論文為進(jìn)一步拓展g-C3N4可見光響應(yīng)型復(fù)合光催化材料在環(huán)境污染物控制領(lǐng)域的應(yīng)用，研制了五種高效、長效且具有可見光響應(yīng)活性的AgBr/g-C3N4、g-C3N4/Ag3PO4、g-C3N4/Ag3VO4、g-C3N4/Bi2WO6和g

2、-C3N4/BiOI復(fù)合光催化材料，通過X射線衍射儀(XRD)、高分辨透射電子顯微鏡(HRTEM)、透射電子顯微鏡(TEM)、掃描電鏡(SEM)、X射線光電子能譜(XPS)、紫外可見漫反射光譜(DRS)、傅里葉紅外光譜(FT-IR)、熒光光譜(PL)等多種表征方法對復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)、形貌、光學(xué)性質(zhì)等物理化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行深入細(xì)致的分析，并考察復(fù)合材料在可見光照射下光催化降解環(huán)境污染物的性能，深入研究復(fù)合材料自身結(jié)構(gòu)和光催化活性之間的構(gòu)效關(guān)系

3、，同時探討了不同復(fù)合材料光催化的本質(zhì)機(jī)理。
　　首先運(yùn)用水浴法合成了AgBr/g-C3N4可見光驅(qū)動型光催化材料。采用XRD、TEM、XPS、DRS、PL、FT-IR、Raman和表面積分析儀對合成的復(fù)合材料進(jìn)行了表征分析。XRD、EDS、TEM、FT-IR、Raman和XPS分析表明，AgBr納米顆粒均勻分布于g-C3N4表面上，并形成了物理異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。通過光催化降解甲基橙實(shí)驗(yàn)，考察AgBr/g-C3N4復(fù)合材料的光催化活性，研

4、究結(jié)果表明AgBr/g-C3N4復(fù)合材料表現(xiàn)出比單體g-C3N4和AgBr納米顆粒顯著提高的光催化性能。光電研究表明，引入AgBr納米顆粒后，AgBr/g-C3N4復(fù)合材料的光電流顯著增強(qiáng)，比單體g-C3N4提升了21倍。AgBr/g-C3N4復(fù)合材料光催化性能增強(qiáng)，其主要原因是g-C3N4和AgBr之間的相互耦合作用。同時通過實(shí)驗(yàn)分析了AgBr/g-C3N4復(fù)合材料光催化機(jī)理和其光催化動力學(xué)特性。
　　其次采用水熱法合成了g-C

5、3N4，并進(jìn)一步采用沉淀法合成g-C3N4/Ag3PO4復(fù)合光催化材料。通過XPS、XRD、DRS、FT-IR、TEM和EDS等表征方法表征g-C3N4/Ag3PO4的結(jié)構(gòu)、形貌、光學(xué)性質(zhì)等。研究結(jié)果表明，Ag3PO4以球型顆粒的形態(tài)均勻分布在g-C3N4的表面，并且在復(fù)合材料的接觸界面形成物理異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。通過光催化降解目標(biāo)污染物亞甲基藍(lán)(MB)的實(shí)驗(yàn)表明，g-C3N4/Ag3PO4（2wt％）呈現(xiàn)出最高的光催化活性，其光電流的強(qiáng)度是本

6、體Ag3PO4的2倍。同時g-C3N4/Ag3PO4復(fù)合材料還能降解無色污染物環(huán)丙沙星(CIP)，呈現(xiàn)良好的光催化降解性能。通過光催化機(jī)理研究發(fā)現(xiàn)，在光催化降解MB的過程中，空穴是反應(yīng)體系的主要活性物種;g-C3N4的復(fù)合不僅能夠提升Ag3PO4的光催化活性，同時還能夠增強(qiáng)Ag3PO4的穩(wěn)定性。
　　再次通過共沉淀法合成了g-C3N4/Ag3VO4可見光驅(qū)動型復(fù)合光催化材料。并通過FT-IR、XRD、XPS、TEM以及DRS等多種

7、表征方法對樣品進(jìn)行了分析研究。在可見光照射下，以MB和RhB為模型化合物，考察g-C3N4/Ag3VO4復(fù)合材料的光催化性能。研究發(fā)現(xiàn)，g-C3N4/Ag3VO4復(fù)合材料的光催化性能明顯高于單體g-C3N4和Ag3VO4材料。光催化降解有機(jī)污染物動力學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)g-C3N4改性后，Ag3VO4復(fù)合光催化材料降解污染物速率明顯提升。當(dāng)g-C3N4含量為0、2.5 wt％、5wt％和7.5 wt％時，相應(yīng)的速率常數(shù)分別為0.605min-

8、1、1.718 min-1、10.071 min-1和0.7013 min-1。當(dāng)g-C3N4含量為5wt％時，光催化降解速率常數(shù)達(dá)到最高，為10.071 min-1，是單體Ag3VO4的16.6倍。光電流分析發(fā)現(xiàn)，g-C3N4/Ag3VO4復(fù)合光催化材料的電荷轉(zhuǎn)移能力與單體Ag3VO4相比顯著提升。自由基捕獲實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，空穴是主要的活性氧化物種。構(gòu)效關(guān)系研究發(fā)現(xiàn)，g-C3N4和Ag3VO4相互之間的協(xié)同作用有助于光生電子和空穴的分離

9、，從而有利于光催化性能的提升。
　　然后又通過浸漬法制備了不同g-C3N4比例的g-C3N4/Bi2WO6可見光驅(qū)動型復(fù)合光催化材料。并通過IR、HRTEM、TG、XRD、TEM、XPS、DRS等方法對復(fù)合光催化材料進(jìn)行表征分析。研究結(jié)果顯示，g-C3N4的引入并未改變Bi2WO6的晶型結(jié)構(gòu)。DRS研究結(jié)果顯示g-C3N4/Bi2WO6復(fù)合材料的光吸收范圍出現(xiàn)紅移現(xiàn)象。SEM及TEM表征發(fā)現(xiàn)g-C3N4與Bi2WO6之間形成了物理

10、異質(zhì)結(jié)。g-C3N4/Bi2WO6可見光驅(qū)動復(fù)合材料中的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的存在促進(jìn)了光生電子-空穴的有效分離，極大的抑制了電子-空穴的復(fù)合。當(dāng)g-C3N4復(fù)合比例達(dá)到3wt％時，復(fù)合材料的光催化活性最高。研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)合材料異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的存在有助于光生電子和空穴的分離，從而有助于光催化活性的提高。
　　最后在離子液體作用下，采用EG輔助溶劑熱法合成了g-C3N4/BiOI復(fù)合光催化材料。運(yùn)用多種技術(shù)研究了復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)、形態(tài)和光催化性能。在

11、反應(yīng)過程中，離子液體不僅起到溶劑、反應(yīng)前驅(qū)物、模板劑和分散劑作用，能夠很好的分散g-C3N4，使其均勻地分散于球體狀BiOI表面，形成表面均勻附著g-C3N4的納米異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。并運(yùn)用三種不同類型污染物染料MB、RhB、甲基橙(MO)作為模型污染物評估g-C3N4/BiOI復(fù)合材料的光催化活性，結(jié)果顯示g-C3N4/BiOI可見光驅(qū)動復(fù)合光催化材料表現(xiàn)出比純BiOI更高的光催化活性。同時，通過無色內(nèi)分泌干擾物雙酚A(BPA)和4*氯酚(4