高能微波法制備氮化碳及其光催化性能研究.pdf

1、半導(dǎo)體光催化劑能夠利用太陽(yáng)光高效降解有機(jī)污染物，在解決環(huán)境污染問(wèn)題方面表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。在各種不同的半導(dǎo)體光催化劑中，新型的非金屬光催化劑石墨相氮化碳(g-C3N4)由于具有合適的禁帶寬度，優(yōu)異的物理化學(xué)性能、良好的生物相容性和光催化活性等特性，得到了世界廣泛的關(guān)注。
　　本文利用高能微波加熱技術(shù)合成了不同形貌和性能的氮化碳，并采用多種分析測(cè)試技術(shù)表征了其結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì);通過(guò)降解羅丹明B(RhB)和甲基橙(MO)評(píng)價(jià)了材料的光

2、催化活性，探索了光催化活性增強(qiáng)機(jī)理;另外，對(duì)微波合成的二維氮化碳(2D-g-C3N4)納米片的場(chǎng)發(fā)射性能進(jìn)行了初步的探索研究和評(píng)價(jià)，并對(duì)其場(chǎng)發(fā)射機(jī)制進(jìn)行了相應(yīng)的解析。主要研究?jī)?nèi)容包括:
　　(1)利用高能微波法，以低成本的三聚氰胺為前驅(qū)體，石墨為微波吸收劑，快速高效地制備了大比表面積的g-C3N4，并對(duì)其結(jié)構(gòu)、形貌和光學(xué)性質(zhì)等進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。與馬弗爐合成的g-C3N4（28m2/g、2.70eV）相比，高能微波法合成的g-C3N

3、4比表面積（84～142m2/g）和禁帶寬度(2.72～2.83eV)有明顯地增大。在可見(jiàn)光催化降解RhB和MO實(shí)驗(yàn)中，微波加熱條件下合成的g-C3N4顯示出更優(yōu)異的光催化性能。如微波功率為4.0kW時(shí)合成的g-C3N4，對(duì)RhB和MO進(jìn)行可見(jiàn)光催化反應(yīng)，40min后的降解率分別達(dá)到了100％和94.2％，準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)速率常數(shù)分別為0.10333和0.06799min-1。而馬弗爐合成的g-C3N4對(duì)RhB和MO進(jìn)行可見(jiàn)光催化反應(yīng)，12

4、0min后的降解率分別僅為85.9％和67.4％，準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)速率常數(shù)分別僅為0.01657和0.00937min-1。微波條件下合成的g-C3N4具有更大的比表面積、更豐富的催化活性位點(diǎn)，有利于光催化活性的改善。
　　(2)將單質(zhì)Fe粉均勻混合到三聚氰胺中，以石墨為微波吸收劑，采用高能微波輻照合成，成功地將Fe元素?fù)饺氲絞-C3N4中。當(dāng)Fe元素的摻雜量為1.0wt.％時(shí)，產(chǎn)物顯示出獨(dú)特的透明中空結(jié)構(gòu)。相比于未摻雜的g-C3N4

5、(2.81eV)，F(xiàn)e摻雜量分別為0.5wt.％、1.0wt.％和2.0wt.％時(shí)，樣品對(duì)應(yīng)的禁帶寬度為2.75、2.71和2.66eV，表明Fe摻雜能夠提高樣品對(duì)可見(jiàn)光的吸收范圍。在可見(jiàn)光催化降解實(shí)驗(yàn)中，中空結(jié)構(gòu)的1.0％Fe/g-C3N4展現(xiàn)出了優(yōu)異的光催化性能，30min內(nèi)對(duì)RhB和MO的降解率分別達(dá)到了100％和94.1％。
　　(3)采用高能微波法，同樣以三聚氰胺為前驅(qū)體，利用對(duì)微波具有更好響應(yīng)的碳纖維取代石墨為微波吸收

6、劑，合成了2D-g-C3N4納米片，并發(fā)現(xiàn)其厚度隨微波功率的增大而減小。此外，隨著微波功率從4.0kW提高到5.0kW，2D-g-C3N4納米片的比表面積從105m2/g增大到239m2/g，禁帶寬度從2.78eV增大到2.88eV。在可見(jiàn)光催化降解實(shí)驗(yàn)中，微波功率為5.0kW時(shí)合成的2D-g-C3N4納米片具有更為優(yōu)異的催化活性，經(jīng)35min的光照后，對(duì)RhB和MO的降解率分別為100.0％和93.3％。對(duì)2D-g-C3N4納米片的光

7、催化反應(yīng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，其準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)速率常數(shù)分別為0.09182和0.07476min-1。光催化活性地提高主要?dú)w功于大比表面積的2D-g-C3N4納米片具有更強(qiáng)的吸附性能、更多的活性位點(diǎn)和更短的載流子遷移距離。經(jīng)4次循環(huán)使用后，2D-g-C3N4納米片仍可降解96.7％的RhB，說(shuō)明其光催化活性非常穩(wěn)定。
　　(4)場(chǎng)發(fā)射性能測(cè)試結(jié)果表明，比表面積為239m2/g，堆疊層數(shù)約為5個(gè)原子層，禁帶寬度為2.88eV和大長(zhǎng)徑比（