g-C3N4及复合材料的可见光催化性能研究

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类石墨相氮化碳(g-C3N4)不仅具有良好的光响应性,而且化学和热力学稳定性优异。其来源广泛,不含金属且无毒。g-C3N4具有合适的带隙能和能带位置,可用于光催化降解水溶性有机污染物。然而,由于对光的利用率不高、比表面积小、光生电子(e-)/空穴(h+)对的复合率高和难以回收利用等原因,限制了其在光催化领域的应用。增大g-C3N4的聚合度可以提高其对光的利用率,而引入缺陷可以捕获光生e-或h+,阻碍光生e-/h+对的复合,从而提高其光催化性能。在引入缺陷的过程往往伴随着比表面积和活性位点的增加,这对提高光催化性能是有利的。为了使g-C3N4易于回收,使用最多的方法是将其与磁性材料结合,从而获得磁性。本文先采用热聚合法以廉价的三聚氰胺为前驱体,通过控制煅烧时间和煅烧温度,制备了不同聚合度的g-C3N4,研究了煅烧时间和煅烧温度对催化剂活性的影响。然后,以酸处理后的质子化三聚氰胺为前驱体,在600℃下保温5 h得到g-C3N4,并将该前驱体与磁性粒子结合后煅烧,得到磁性g-C3N4,研究了酸的种类、用量以及三聚氰胺与磁性粒子的比例对催化剂活性的影响。具体研究内容如下:1、以三聚氰胺为前驱体,通过控制煅烧时间和煅烧温度得到了不同聚合度的g-C3N4。煅烧时间为5 h时,光催化性能最佳。综合比较产率与光催化性能,600℃下制备的样品优于550℃下制备的样品。在600℃下保温5 h得到的样品产率为37.8%,其具有良好的光催化性能,在可见光照射下,60 min可降解99.5%的Rh B。其属于N型半导体,带隙能较小,为2.67 e V,因而吸收光的波段范围更宽。其拥有缺陷,能降低光生e-/h+对的复合率。2、以酸处理后的质子化三聚氰胺为前驱体,在600℃下保温5 h得到g-C3N4,研究了酸的种类和用量对催化剂活性的影响。结果表明,以450μL硫酸质子化的三聚氰胺为前驱体制备的样品具有最佳的光催化性能,在可见光照射下24min可降解99.3%的Rh B。与未质子化的三聚氰胺制备的g-C3N4相比,其结晶度减小,堆叠更加疏松,具有更多的氮缺陷,可以阻碍e-/h+对的复合。其孔径分布不均一,比表面积为57.846 m~2/g。由于更多的氨基脱去,使得C/N增大,聚合度也增大,对光的吸收能力明显增强,光循环稳定性更好。由于片层更薄,半导体类型由N型变为P型。通过TEOS水解在Fe3O4表面成功包覆了一层Si O2,将450μL硫酸酸化后的三聚氰胺和Fe3O4@Si O2粒子结合后,550℃煅烧5 h,成功获得了磁性g-C3N4。当三聚氰胺与Fe3O4@Si O2的质量之比为300:1时,得到的样品可见光催化性能最好。在可见光照射24 min可降解97.9%的Rh B。与未加入Fe3O4@Si O2粒子的样品相比,其带隙能增大为3.01 e V,且具有磁性。
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