改性石墨相氮化碳及其Z构型复合光催化材料的设计合成和性能研究

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近年来,能源紧缺和环境污染已成为制约我国经济社会可持续发展的主要因素,也是人类所面临的重大挑战。如何有效解决这两大问题已成为全社会关注的焦点,也是当前科学研究领域亟需解决的关键问题。太阳能是一种清洁、可持续利用和无污染的能源,特定的半导体材料能够有效利用太阳能降解环境中有机污染物、光催化分解水产生氢气和氧气,将光能转换为化学能。因此基于半导体材料的太阳能光催化技术被认为是解决能源紧缺和环境污染最有效的方法之一。  本论文在石墨相氮化碳材料和光催化复合材料合成与研究应用的基础上,通过热聚合法,在不同溶剂中改性制备出具有特殊形貌的g-C3N4,以改性制备的g-C3N4为基础,通过静电自组装、离子交换法等途径,将改性后的g-C3N4与Ag3PO4复合,制备出结构可控的g-C3N4/Ag3PO4复合材料。进一步综合利用静电自组装、离子交换、热聚合等方法,一步煅烧制备Ag3PO4/Ag/C3N4三体系复合材料。利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线电子衍射(XRD)、紫外-可见漫反射光谱(UV-vis DRS)等测试表征手段,综合分析纳米复合材料的化学组成、结构、形貌、光电响应等。以罗丹明B(RhB)模拟有机污染物,研究所制备光催化材料在可见光照射下对有机污染物的光催化降解效果。同时以硝酸银为牺牲剂,在可见光照射下研究所制备复合光催化材料的产氧性能。实验结果表明:三聚氰胺和三聚氰酸在不同溶剂中形成的聚合物结构差异较大,对最终煅烧形成的g-C3N4形貌具有重要影响。不同于三聚氰胺直接热缩聚形成的块状g-C3N4,改性制备的g-C3N4为多孔片状结构。多孔的片状结构对入射光的高效利用使改性制备的g-C3N4具有更好的光催化活性。对于乙醇改性制备的g-C3N4与Ag3PO4复合的可见光光催化材料,所加入的g-C3N4对最终形成的复合材料中Ag3PO4颗粒尺寸具有较大影响。此外,通过一步煅烧法,利用DCDA与磷酸银形成竞争反应,一步煅烧形成Ag3PO4/Ag/C3N4三体系复合材料。所制备的复合材料的光催化活性较单一组分的Ag3PO4有大幅提升。不同于传统的异质结光催化机理,本文提出Z构型光催化降解机理,Ag3PO4导带和 g-C3N4价带能级位置的匹配性,Ag3PO4导带光生电子和g-C3N4价带光生空穴通过纳米银颗粒复合,Ag3PO4价带空穴可直接高效率将水氧化分解产生氧气。同时Ag3PO4颗粒存在活性电子几率的降低,避免复合材料中Ag3PO4被还原成金属银。该体系复合材料能够在可见光驱动下光催化分解水制氧的关键在于:银纳米颗粒在g-C3N4和Ag3PO4之间桥连形成的Z型电子分离和迁移路径。
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