多孔g-C3N4納米片的化學(xué)制備、摻雜及其光催化性能研究.pdf

1、工業(yè)化不斷發(fā)展的同時(shí)，自然資源的需求量逐漸增加，同時(shí)人們?cè)陂_發(fā)利用自然資源的同時(shí)，造成有機(jī)污染物進(jìn)入自然環(huán)境，帶來(lái)污染的加重，甚至威脅著人類的生活和健康。半導(dǎo)體光催化氧化技術(shù)作為一種“綠色技術(shù)”，被廣泛應(yīng)用于污染物治理和太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化領(lǐng)域。常規(guī)半導(dǎo)體催化材料如金屬氧化物，金屬硫化物和貴金屬鹵化物等，由于金屬資源的有限性，水處理應(yīng)用中金屬離子易造成二次污染等不足嚴(yán)重制約了光催化技術(shù)的廣泛應(yīng)用。G-C3N4作為一種新型的非金屬聚合半導(dǎo)體催化材料

2、因在環(huán)境凈化，新能源開發(fā)等方面表現(xiàn)出優(yōu)異的催化性能而廣受關(guān)注。但是，g-C3N4對(duì)污染物的吸附富集能力弱，光生電子-空穴分離效率較低且可見(jiàn)光響應(yīng)有限，造成光催化活性降低。此外，g-C3N4微納米的應(yīng)用形式限制了工業(yè)化應(yīng)用。因此，開發(fā)性能強(qiáng)、穩(wěn)定性高且易于回收再利用的催化劑顯得尤為迫切。為提高g-C3N4光催化活性，同時(shí)能滿足實(shí)際工業(yè)化應(yīng)用需要，本文合成了寬頻響應(yīng)的碳摻雜g-C3N4納米片，多孔結(jié)構(gòu)的g-C3N4納米片和復(fù)合半導(dǎo)體催化材料

3、。采用一系列現(xiàn)代表征手段對(duì)材料的微觀形貌、晶體結(jié)構(gòu)、光電特性等進(jìn)行了分析研究。結(jié)果表明大比表面和豐富的孔結(jié)構(gòu)有效的增強(qiáng)了g-C3N4的吸附富集能力，碳的有效摻雜拓寬了可見(jiàn)光響應(yīng)范圍，提高了催化活性。與一維TiO2連續(xù)纖維的復(fù)合，不僅成功的解決了微納米結(jié)構(gòu)回收難的問(wèn)題，而且復(fù)合催化劑的催化性能得到大大提高。本文利用三聚氰胺為制備原料，通過(guò)一步熱處理制得塊狀g-C3N4。通過(guò)陰離子型聚丙烯酰胺預(yù)插層塊狀g-C3N4，熱處理插層復(fù)合物制備了大

4、比表面碳摻雜的g-C3N4納米片。KOH兼做礦化劑和活化劑與g-C3N4低溫反應(yīng)得到多孔結(jié)構(gòu)的g-C3N4。為盡早實(shí)現(xiàn)g-C3N4走向工業(yè)化應(yīng)用，解決單一納米應(yīng)用形式，難回收利用的瓶頸，將納米片與易于回收利用且同為光催化材料的TiO2連續(xù)纖維形成異質(zhì)結(jié)，二者協(xié)同促進(jìn)制備了高光催化活性。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴利用陰離子型聚丙烯酰胺(APAM)兼做插層劑和摻雜碳源，采用熱處理的方式制得大比表面、寬頻響應(yīng)的高質(zhì)量碳摻雜多孔g-C3

5、N4納米片(NSs-APAM)。所得納米片厚度約為4nm，碳的有效摻雜改善了量子尺寸效應(yīng)帶來(lái)寬帶隙的不足，拓寬了其對(duì)可見(jiàn)光響應(yīng)。通過(guò)一系列表征手段證明APAM的成功插入，并對(duì)所得催化劑的形貌、晶型、光電特性、化學(xué)成分等物理化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了分析。相比較下，此途徑改性了塊狀g-C3N4(CN)吸附性能差、光譜響應(yīng)范圍窄、光生載流子易復(fù)核缺陷，顯著提高了光催化活性。經(jīng)過(guò)多次的循環(huán)光催化實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，改性所得催化劑仍有較高的光催化效率。NSs-AP

6、AM納米片厚度均一，比表面積為118.6 m2/g，約是塊狀g-C3N4的5倍，改善了吸附性能。相比于未摻碳的g-C3N4納米片(NSs-Water)，碳的摻雜有效拓展了π電子共軛結(jié)構(gòu)，使NSs-APAM最大吸收帶邊出現(xiàn)明顯紅移，帶隙能縮小了0.34 eV，增強(qiáng)了對(duì)可見(jiàn)光的吸收。通過(guò)PL測(cè)試分析表明，NSs-APAM的熒光發(fā)射強(qiáng)度出現(xiàn)了猝滅現(xiàn)象，表明光生電子-空穴對(duì)的復(fù)合被抑制。NSs-APAM的光催化活性均高于NSs-Water和CN

7、，通過(guò)自由基捕獲劑實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)其在可見(jiàn)光照射下光催化反應(yīng)過(guò)程中起作用的自由基。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，空穴對(duì)光催化反應(yīng)起主要作用，超氧自由基次之，羥基自由基的作用可忽略。⑵采用KOH做活化劑與層狀g-C3N4，450～500℃熱處理下，通過(guò)KOH與g-C3N4反應(yīng)并經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的弱酸處理得到大比表面積，孔結(jié)構(gòu)豐富的g-C3N4(PCN)。改性了層狀g-C3N4的吸附富集性能并提高了光催化活性。以KOH低溫活化g-C3N4得到多孔結(jié)構(gòu)的g-C3N4?；?/p>

8、化溫度為450-500℃，低于常規(guī)800℃。不僅縮短了實(shí)驗(yàn)周期，減少能耗，而且反應(yīng)更加簡(jiǎn)單、安全易操作。⑶將得到的g-C3N4納米片膠態(tài)液與TiO2溶膠凝膠均勻混合，利用離心甩絲法制得復(fù)合材料纖維前驅(qū)體，最后水蒸汽氣氛下進(jìn)行熱處理得到二者復(fù)合連續(xù)纖維。g-C3N4-TiO2有效復(fù)合拓寬了可見(jiàn)光的響應(yīng)，增強(qiáng)了其對(duì)污染物的吸附富集性，復(fù)合連續(xù)纖維對(duì)X-3B染料的去除率均高于單純TiO2和g-C3N4，而且復(fù)合纖維易于方便回收呈現(xiàn)出可循環(huán)利用