掺杂型石墨相氮化碳材料的制备及其光催化性能的研究

来源 :南京航空航天大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:zhanbusha
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半导体光催化是一项清洁的、可持续发展的有效开发利用太阳能资源的新兴技术。独特的优势使其在众多领域都有着普遍的运用潜力。然而一般的宽带隙半导体由于只对紫外光响应而使太阳能的转化效率受到限制。所以,近年来研究人员逐渐开始了对可见光响应的光催化剂的开发。石墨相氮化碳(g-C3N4)具备制备简便、能响应太阳可见光波段、结构和性质稳定、没有毒性且带边电位适合等优点,受到科研人员的普遍关注和开发。然而g-C3N4高光生载流子复合率的缺点和其本身的低吸附性能限制着其光催化领域的应用。将掺杂异质原子改性和贵金属沉积相结合的多元化修饰是改善材料光催化性能的有效方法。本文分别以三聚氰胺和硫脲为前驱体,采用高温热解法制备出g-C3N4和S-C3N4粉末。通过浸渍还原法制备(Au,S)共掺杂以及(B,S)共掺杂的复合催化剂,借助XRD、FT-IR、TEM、XPS、DRS、PL等表征技术分析所制备样品的结构和性质,并通过光催化降解RhB溶液的实验来评估光催化剂的活性,同时考察了掺杂不同的元素对g-C3N4催化剂光降解效率的影响,并确定S-C3N4光催化反应所需的最佳条件。本文的主要研究内容和成果如下:(1)通过高温烧结法制备g-C3N4和S-C3N4催化剂,在已知掺杂硫元素可以提高g-C3N4的光催化活性的情况下,对比研究两种催化剂的吸附动力学、吸附热动力学、等温吸附以及基团作用方式,分析在吸附和光催化反应过程中的表/界面作用机理。通过设计正交实验的方法得出S-C3N4的最佳工艺参数(10 g/mL,50mL,0.4g,40min,35 oC)。(2)采用浸渍还原法把纳米粒子Au负载在S-C3N4上,粒径为2-20 nm的Au纳米颗粒均一地分布在S-C3N4表面,有助于提高其对可见光的响应以及光生载流子的分离效率。研究负载不同比例Au下的Au/S-C3N4复合催化剂的光催化降解动力学。当负载2 wt%的Au纳米颗粒时,样品的光催化活性达到最大,降解速率相比S-C3N4提高了近1倍。此外通过相关表征,分析出Au/S-C3N4复合催化剂在降解过程中可能的光催化机理。(3)研究(B,S)共掺杂的B-S-C3N4复合催化剂的光催化活性,硼硫共掺杂对改善g-C3N4的光催化性能效果明显,B-S-C3N4在降解RhB降解速率是0.07878min-1,是S-C3N4的2倍,更是g-C3N4的10倍。这种光催化性能的提高归功于两种异质元素的共掺杂改善了单一掺杂引入的缺陷而导致的电子空穴对复合中心增加的问题。此外还通过密度泛函理论的研究各种掺杂催化剂的微观结构和电子结构,分析共掺杂的异质元素在降解过程中的协同作用。
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