磁改性g-C3N4基纳米复合材料的制备及其光催化性能的研究

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近年来,光催化因其在环境安全方面的潜力而越来越引起人们的关注。无金属的石墨相氮化碳(g-C3N4)因其合适的带边位置,可见光响应,易制备等优点在光催化领域备受关注,然而g-C3N4仍然存在着对太阳光利用率低,光生载流子复合率高,难以回收等缺陷。针对上述缺陷,本工作从赋予磁性和提升光催化活性两个方面对g-C3N4进行了改性,为制备同时具有高光催化性能和磁可回收性的光催化剂提供了理论依据。(1)首先制备了g-C3N4/ZnFe2O4(CN/ZFO)磁性异质结光催化剂,采用简单球磨法用超薄MoS2进行改性,获得CN/ZFO/MoS2磁性三元异质结。系列光催化剂的光催化性能通过Cr(Ⅵ)光催化还原实验进行了评价。在200 min的模拟太阳光照射下,最佳的CN/ZFO/MoS2可达到99.3%的Cr(Ⅵ)还原率,相同条件下CN/ZFO仅为54.0%。CN/ZFO/MoS2光催化性能的提高可归因于MoS2的改性提高了光吸收性能,促进了光生成载流子的转移,增加了光生成载流子的浓度,促进了光生载流子的有效分离。(2)本实验选用同为片层状结构的MoS2通过球磨技术改性g-C3N4,进一步通过与α-Fe2O3的复合赋予其磁可回收性,制得了磁可回收的三元复合光催化剂g-C3N4/MoS2/Fe2O3。光催化还原Cr(Ⅵ)的实验结果表明,模拟太阳光照射140 min,g-C3N4/MoS2/Fe2O3-20%对Cr(Ⅵ)的光催化还原率为94.6%,纯g-C3N4仅为51.7%。MoS2和α-Fe2O3的协同改性有助于光吸收性能和光生载流子迁移效率的提高,进而提升光催化Cr(Ⅵ)还原活性。(3)采用溶剂热法合成多孔一维棒状ZnFe2O4,进一步在ZnFe2O4纳米棒上原位化学还原沉积Au纳米颗粒,包覆超薄g-C3N4,最终制得ZnFe2O4/Au/g-C3N4(ZFO/Au/CN)磁可回收的复合光催化剂。物理表征结果表明一维棒状的ZnFe2O4由大量的ZnFe2O4纳米颗粒组成,Au纳米颗粒均匀负载在棒状ZnFe2O4表面,g-C3N4包覆在最外层。光催化还原Cr(Ⅵ)的实验结果表明,在用甲醇做空穴清除剂,模拟太阳光照射50 min的情况下,性能最佳的ZFO/Au/CN-5%对Cr(Ⅵ)的光催化还原率为95.6%,而纯ZnFe2O4纳米棒仅为76.6%。ZFO/Au/CN光催化性能提高可归因于Au作为中间电子传输体的Z型异质结的构建。
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