类石墨相氮化碳的分子骨架调控及其光催化降解有机污染物活性的研究

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随着工业的快速发展,水体污染问题日益影响着人类和动植物的生存,绿色且高效的污染物降解技术正在引起人们的关注和研究。近些年来,利用半导体材料光催化降解污染物已经逐渐成为研究的热点,其中开发设计高效的光催化剂是光催化技术的关键。类石墨相氮化碳(g-C3N4)因其独特的能带结构、可见光响应、物理化学性质稳定、成本低和易合成等特点逐渐成为光催化领域的研究热点,但是它也存在比表面积小、光生载流子复合率高、可见光利用率低等缺点,这些缺点限制了g-C3N4的光催化活性。围绕这些问题,利用2,4-二氨基-6-甲基-1,3,5三嗪、2,4,6-三氨基嘧啶和三聚氰酸与双氰胺或三聚氰胺发生热缩聚反应,合成碳掺杂氮化碳,以此拓宽其光响应范围,促进载流子的分离与迁移,从而提高其光催化降解的活性。具体内容如下:(1)以2,4-二氨基-6-甲基-1,3,5三嗪(2,4-diamino-6-methyl-1,3,5-triazine,简称DMT)和2,4,6-三氨基嘧啶(2,4,6-triaminopyrimidine,简称TAP)作为掺杂剂,通过简单的煅烧法制备了两种碳掺杂的氮化碳材料(D-CN,T-CN)。DMT和TAP分子能够替代三聚氰胺掺杂到氮化碳的骨架中,有效减少了氮化碳的共轭π电子缺陷,拓宽了光吸收范围,促进了光生载流子快速分离和迁移,在可见光(λ>420nm)的照射下,D-CN和T-CN光催化降解活性有了显著的提高,其光催化降解苯酚的速率常数分别为未掺杂氮化碳CN的3.1倍和5.5倍。(2)以三聚氰胺、三聚氰酸和TAP形成的超分子聚集体为前驱体,再经高温煅烧得到了高比表面积的均相碳掺杂氮化碳(MCT-CN)。采用超分子自组装的方法不仅有利于掺杂分子的均匀分布,而且该方法所制备的碳掺杂氮化碳还具有更高的比表面积和更多的活性位点。此外,因碳掺杂和具有独特的结构,MCT-CN显示出了更好的导电性和更大的π电子共轭体系,进一步促进了光生载流子的分离与转移。MCT-CN在可见光(λ>420nm)的照射下,表现出了更加优异的光催化降解苯酚活性,其降解速率常数为未掺杂氮化碳M-CN的20.1倍左右,且五次循环实验后依然保持较好的稳定性。
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