基于g-C3N4异质结的构建及其光催化性能的研究

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利用半导体催化材料将太阳能转化为化学能被认为是解决环境污染和能源危机的重要方式。g-C3N4具有低成本、无毒、可见光响应以及带隙合适等优点,在光催化受到了广泛关注。然而原始g-C3N4的比表面积低、光生载流子易复合以及空穴氧化能力弱等限制了其进一步发展,而异质结的构建有(1)增强光吸收能力;(2)促进光生载流子的分离;(3)降低反应的过电势;(4)增强光生电子-空穴对的氧化还原能力等优点,被认为是提高光催化反应效率的主要策略之一。本文以二维g-C3N4为基体,这样可以为反应提供更大的比表面积,然后选择合适的材料及方法与g-C3N4进行复合成功构建二元以及三元异质结,并探索其相关的光催化产氢、产过氧化氢以及降解四环素活性。研究内容主要如下:(1)先采用水热法制备得到Mo Ox前驱体,高温处理获得均匀分散在碳片上的Mo C量子点(Mo C QDs-C)然后通过超声自组装技术制备了Mo C QDs-C/g-C3N4复合光催化剂。实验结果表明,二维碳层作为连接g-C3N4纳米片和Mo C量子点的“桥梁”,促进电荷的分离和迁移,从而抑制载流子的复合;Mo C QDs作为非贵金属助催化剂,不仅可以扩大光吸收范围,而且可以加速表面反应。所得最佳样品40 wt%Mo C QDs-C/g-C3N4(MCCN)的析氢速率分别比纯g-C3N4和Pt/g-C3N4提高了69.6和1.7倍。(2)采用原位水热法合成了g-C3N4/Mo O3异质结。通过加入捕获剂以及EPR技术对其机理进行探究,发现该机制符合典型的Z-机制电子转移路径。实验结果表明,通过构建异质结不仅可以有效促进光生电荷的分离与迁移,还提高其光生空穴能力。在g-C3N4/Mo O3光催化剂上,通过空穴光氧化水和电子光还原氧的方式生成H2O2,使得最佳样品g-C3N4/Mo O3-2在180 min内H2O2产率最高,为874μM,并且测得其在420 nm处的AQE为8.9%。(3)基于原位生长制备的g-C3N4/Mo O3,通过电沉积在其表面负载Cu2O纳米颗粒,制备了三元g-C3N4/Mo O3/Cu2O复合光催化剂。同时对其进行探究,发现该三元复合光催化剂遵循双Z型电荷转移机制,由于原位合成使得各组分之间产生紧密接触以及其双Z型电荷转移路径,使得样品中的光生电子与空穴保持较高的的氧化还原能力,同时还促进电荷的有效的分离,从而提高了其光催化四环素降解性能。经性能测试发现,最优样品1.5 g-C3N4/Mo O3/Cu2O-100 s在150min内可达到97.75%的四环素降解率,其表观速率常数(k)为0.02048 min-1,分别是1.5 g-C3N4/Mo O3和g-C3N4的3.4和5.8倍,同时对样品的稳定性进行测试,发现经过四个循环后,样品的性能几乎没有任何下降,说明其表现出优异的循环稳定性。
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