基于g-C3N4半導(dǎo)體納米復(fù)合材料的制備及光催化性能的研究.pdf

1、近年來，石墨相氮化碳(g-C3N4)作為一種不含金屬組分的半導(dǎo)體光催化材料，以其優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和獨(dú)特的電子能帶結(jié)構(gòu)，被視作一種廉價(jià)穩(wěn)定的可見光光催化劑，廣泛應(yīng)用于太陽能的光催化轉(zhuǎn)化中。然而將g-C3N4直接用作光催化劑還存在一些問題，如比表面積小、光生電子空穴對復(fù)合嚴(yán)重、量子效率低等，使其不能有效利用太陽光能，這嚴(yán)重制約了其在能源環(huán)境和光催化領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用。針對這些問題，半導(dǎo)體復(fù)合改性不失為一種有效的方法。半導(dǎo)體復(fù)合改性是將g-C3

2、N4與其它半導(dǎo)體材料復(fù)合，借助不同材料之間能帶結(jié)構(gòu)和能帶位置的不同，構(gòu)筑異質(zhì)結(jié)構(gòu)，促進(jìn)光生電子空穴對的分離，進(jìn)而提高其光催化性能。本文主要是基于g-C3N4半導(dǎo)體納米復(fù)合材料的制備及光催化性能的研究，主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下:
　　(1)采用熱聚合法與醋酸輔助的溶膠-凝膠法相結(jié)合制備了TiO2/g-C3N4半導(dǎo)體納米復(fù)合材料。通過TG、XRD、SEM、TEM、FT-IR、XPS和UV-vis DRS等多種手段對所得材料的微觀結(jié)構(gòu)和形

3、貌進(jìn)行了表征。結(jié)果表明，將g-C3N4和TiO2復(fù)合，能夠有效降低TiO2納米顆粒的團(tuán)聚程度，且復(fù)合樣品的最大吸收邊的位置相對于純相TiO2發(fā)生明顯的紅移。相對于純相TiO2和純相g-C3N4，TiO2/g-C3N4納米復(fù)合材料的光催化降解甲基橙(MO)的性能夠得到明顯提高。尤其是在可見光照射條件下，最優(yōu)組分TiO2/g-C3N4-74.4復(fù)合樣品的光催化降解速率能夠達(dá)到7.34×10-3 min-1，是純相g-C3N4(2.62×10

4、-3 min-1)的2.8倍。TiO2/g-C3N4納米復(fù)合材料光催化性能的提升主要是由于異質(zhì)結(jié)構(gòu)的形成，促進(jìn)了光生電子空穴對的有效分離，并擴(kuò)大了對光的吸收范圍。
　　(2)采用熱聚合法和水熱法相結(jié)合制備了In2S3/g-C3N4半導(dǎo)體納米復(fù)合材料。結(jié)果表明，將g-C3N4與In2S3復(fù)合后，能夠使In2S3的微觀形貌發(fā)生顯著改變，從團(tuán)聚的顆粒狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槎S交錯(cuò)的納米片層結(jié)構(gòu);而且復(fù)合樣品最大吸收邊的位置相對于純相g-C3N4發(fā)

5、生明顯的紅移，對光的吸收強(qiáng)度也同時(shí)增強(qiáng)，使復(fù)合樣品對光的利用效率大幅提升。相對于純相g-C3N4和純相In2S3，In2S3/g-C3N4納米復(fù)合材料的可見光光催化降解MO的性能得到明顯提高，其中最優(yōu)組分0.6In2S3/0.4g-C3N4復(fù)合樣品的降解速率能夠達(dá)到0.026 min-1，是純相In2S3(0.005 min-1)的5.2倍和純相g-C3N4(0.0016 min-1)的16.25倍。復(fù)合材料光催化性能的提升與形成的異質(zhì)

6、結(jié)構(gòu)促進(jìn)光生電子空穴對的有效分離密切相關(guān)。此外，材料表面積顯著增大，吸附能力明顯增強(qiáng)，對最終光催化性能的提升也起了至關(guān)重要的作用。
　　(3)采用熱聚合法與水熱法相結(jié)合制備了SnO2/g-C3N4半導(dǎo)體納米復(fù)合材料。結(jié)果表明，將SnO2與g-C3N4復(fù)合后，能夠有效降低SnO2納米顆粒的團(tuán)聚程度，并且由UV-vis DRS測試結(jié)果可知，復(fù)合樣品最大吸收邊的位置相對于純相SnO2發(fā)生明顯的紅移，對光的利用能力有效增強(qiáng)。相對于純相Sn

7、O2和純相g-C3N4，SnO2/g-C3N4納米復(fù)合材料在紫外可見光或僅可見光照射條件下的光催化降解羅丹明B(RhB)的性能均得到明顯改善。尤其是在可見光照射條件下，最優(yōu)組分0.5 SnO2/0.5g-C3N4復(fù)合樣品的光降解速率能夠達(dá)到13.32×10-3 min-1，是純相g-C3N4(4.56×10-3 min-1)的2.9倍。SnO2/g-C3N4納米復(fù)合材料光催化性能明顯優(yōu)于單相材料，主要是由于異質(zhì)結(jié)構(gòu)的形成，促進(jìn)了光生電子