石墨相氮化碳的制備及其光催化性能研究.pdf

1、隨著愈加嚴(yán)峻的能源短缺和環(huán)境污染形勢，人類對(duì)可再生能源的關(guān)注度逐漸增加。其中，太陽能因其清潔、豐富的特性成為人們的研究熱點(diǎn)。半導(dǎo)體光催化技術(shù)，作為太陽能利用的重要技術(shù)手段，在能源和環(huán)境領(lǐng)域顯現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢。石墨相氮化碳(g-C3N4)作為一種非金屬、二維共軛聚合物半導(dǎo)體，因具備非金屬性、可見光響應(yīng)性、物理化學(xué)穩(wěn)定性且制備方法簡單、原料廉價(jià)易得，所以近年來成為光催化領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。但是，熱縮聚法制備的體相g-C3N4比表面積小、導(dǎo)電性能差，

2、光生電子-空穴復(fù)合嚴(yán)重，大大降低了產(chǎn)物的量子效率和光催化效果。因此，開發(fā)新穎的g-C3N4制備方法，制備具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)、高比表面積、光生電子-空穴分離性能好且導(dǎo)電性優(yōu)良的g-C3N4仍然面臨巨大的挑戰(zhàn)。本研究論文從g-C3N4的制備和改性兩方面入手，對(duì)不同前驅(qū)體合成的g-C3N4加以對(duì)比研究，并利用納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和異質(zhì)結(jié)構(gòu)筑的方式制備結(jié)構(gòu)獨(dú)特、性能優(yōu)良的g-C3N4基光催化材料。主要研究結(jié)果如下：
　?。?）不同前驅(qū)體合成g-C3N4

3、的研究。選用六種不同的前軀體以熱縮聚法合成g-C3N4，發(fā)現(xiàn)不同前驅(qū)體合成的g-C3N4在形貌、結(jié)構(gòu)、光學(xué)性能、光生電子-空穴分離性能以及光催化性能等方面存在明顯差異。其中，含硫前驅(qū)體合成的g-C3N4具有較為優(yōu)良的光吸收性質(zhì)和光生電子-空穴分離能力；以尿素為前驅(qū)體合成的g-C3N4含有多孔納米片結(jié)構(gòu)，且具有最優(yōu)的亞甲基藍(lán)脫除效果，3h的脫除率達(dá)到99.4%，可見光催化反應(yīng)速率常數(shù)達(dá)到1.446h-1。
　?。?）g-C3N4納米

4、環(huán)結(jié)構(gòu)的控制制備及光催化性能。將模板法和化學(xué)氣相沉積法相結(jié)合，利用“限域空間”生長機(jī)制首次制備出g-C3N4納米環(huán)結(jié)構(gòu)（g-CNNRs）。g-CNNRs尺寸均一、單分散、比表面積大，對(duì)波長為500-800nm的可見光的吸收性能增強(qiáng)，可以有效引導(dǎo)光生電子-空穴的定向傳輸和分離，并縮短載荷的傳輸距離，從而有效抑制了載荷復(fù)合。此外，發(fā)現(xiàn)化學(xué)氣相沉積溫度、沉積時(shí)間、硅球模板粒徑和載氣流速對(duì)產(chǎn)物的形貌和尺寸有重要影響，通過實(shí)驗(yàn)參數(shù)優(yōu)化和調(diào)控，可以

5、實(shí)現(xiàn)g-CNNRs結(jié)構(gòu)的可控制備。g-CNNRs可見光催化降解亞甲基藍(lán)性能明顯優(yōu)于體相g-C3N4，其中，制備的g-CNNRs-2光催化反應(yīng)速率常數(shù)為0.27h-1，是體相g-C3N4光催化速率常數(shù)（0.05h-1）的5.4倍，7h對(duì)亞甲基藍(lán)的脫除率達(dá)到83%。
　?。?）g-C3N4/TiO2二元復(fù)合結(jié)構(gòu)的構(gòu)建及光催化性能。通過簡易的一步化學(xué)氣相沉積法在商業(yè)化P25顆粒表面包覆g-C3N4層，構(gòu)筑g-C3N4/TiO2二元異質(zhì)結(jié)

6、結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，與體相g-C3N4和P25相比，產(chǎn)物在波長450-600nm范圍內(nèi)具有更優(yōu)異的光吸收性能，且能有效誘導(dǎo)光生電子-空穴的傳輸和分離，抑制載流子復(fù)合。探究了化學(xué)氣相沉積溫度、時(shí)間以及載氣流速對(duì)產(chǎn)物的形貌、結(jié)構(gòu)及性能的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)化學(xué)氣相沉積溫度為550℃，反應(yīng)時(shí)間為2h，載氣流速為200ml/min時(shí)，所得產(chǎn)物具有最佳的可見光催化降解亞甲基藍(lán)(MB)效果，6h對(duì)MB脫除率達(dá)72.0%，光反應(yīng)速率常數(shù)為0.217h-1，分別是