【摘 要】
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类石墨相氮化碳(g-C3N4)作为一种新型光催化剂,具有良好的应用前景。但是其光吸收范围窄、电子-空穴对复合率高等缺点在一定程度上限制了其广泛应用。研究表明,碳点(CDs)作为一种
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类石墨相氮化碳(g-C3N4)作为一种新型光催化剂,具有良好的应用前景。但是其光吸收范围窄、电子-空穴对复合率高等缺点在一定程度上限制了其广泛应用。研究表明,碳点(CDs)作为一种零维的新型碳材料,在与g-C3N4进行复合后可以改善光催化剂的光吸收能力,抑制其电子-空穴对复合率,从而提高g-C3N4的光催化性能。本文使用不同材料作为CDs和g-C3N4前驱体,通过一步双原位法制备了多个系列的CDs改性g-C3N4光催化剂。通过TEM、XRD等现代仪器对所制备光催化剂的结构与性质进行了表征,同时对它们可见光照射下的分解水产氢性能进行了评价,从而研究了前驱体的种类及催化剂的形貌对CDs/g-C3N4光催化剂产氢性能的影响。具体内容如下:(1)使用三种糖类分子作为碳点前驱体与尿素通过一步双原位法制备了CDs/g-C3N4材料。当所用CDs前驱体为葡萄糖(单糖)、麦芽糖(二糖)和糖原(多糖)时,将相应的光催化剂命名为CNMx、CNDx和CNPx。研究表明,在添加质量相同的情况下,所使用的CDs前驱体分子量越小,制备得到的CDs/g-C3N4光催化剂光催化性能越高。其中使用投料比为0.017 wt.%的葡萄糖和尿素作为前驱体制备的光催化剂CNM1.0性能最好,其光催化产氢速率约为使用纯尿素作为前驱体制备的本体氮化碳(BCN)材料的4.17倍。(2)使用三种氰胺类分子作为氮化碳前驱体与葡萄糖通过一步双原位法制备了CDs/g-C3N4材料。当所用g-C3N4前驱体分别为单氰胺、双氰胺和三聚氰胺时,将相应的光催化剂分别命名CN-CYx、CN-DCx和CN-MLx。研究结果表明,光催化剂的产氢性能与g-C3N4前驱体的种类和CDs前驱体加入量有关。使用分子量最小、水溶性最好的单氰胺作为前驱体制备的一系列CN-CYx光催化剂产氢性能最好。其中性能最好的CN-CY1.0光催化剂的产氢速率约为使用纯单氰胺作为前驱体制备的本体氮化碳(CN-CY)的3.36倍。(3)使用单氰胺和葡萄糖作为前驱体、SiO2作为硬模板制备CDs改性的空心球g-C3N4光催化剂。首先研究了壁厚对空心球g-C3N4(HCNS)产氢性能的影响,发现当空心球氮化碳壁厚度约为79 nm时其光催化性能最好。接着利用该HCNS对应的SiO2微球作为模板,制备了HCNS-Cx光催化剂。由于CDs的引入及空心结构的存在,HCNS-Cx光催化剂的比表面积、光吸收能力及载荷迁移率均有了明显的改善,使得其产氢性能得到显著提高。其中具有最佳壁厚及最佳碳点含量的HCNS-C1.0光催化剂产氢性能最高,达到2322μmol g-1 h-1,约为本体氮化碳CN-CY的19.03倍。综上,本文使用不同CDs及g-C3N4前驱体通过一步双原位法制备了CDs/g-C3N4光催化剂,研究了所使用前驱体种类的不同对CDs/g-C3N4光催化剂产氢性能的影响。最后,使用最优的前驱体,通过将一步双原位法与形貌调控法相结合,制备了性能更好的CDs改性空心球g-C3N4光催化剂。
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