石墨相氮化碳的改性、表征及其光催化性能研究

来源 :辽宁石油化工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:zhanghuatao88
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由于工业的发展环境污染日益严重,因此寻找新的环保材料迫在眉睫。近年来作为最吸引人的技术之一,光催化技术已被用于直接收集,转换和存储可再生太阳能,在生产可持续的绿色太阳能燃料以及的环境治理方面应用广泛。氮化碳(g-C3N4)作为无金属的半导体聚合物,具有化学稳定性高,热稳定性好,原料简单,禁带宽度较窄,以及对可见光有一定影响等特点,广泛应用于光催化领域。由于其独特的物理化学、光学和电学性质,已经设计出了多种以g-C3N4为基础的光催化剂,使其在适当波长的光照射下驱动各种还原和氧化反应。例如水分解产生的氢气,二氧化碳的还原,降解有机污染物,醇类氧化,光学传感器等。然而传统方法合成的类石墨相氮化碳光催化剂比表面积小,禁带宽度大,光生电子-空穴易于复合,光生载流子传输慢,抑制了其光催化活性。为了使光催化活性达到要求,因此对其进行改性是必不可少的,本文通过以下三个方面对其进行改性,并以罗丹明B为模拟污染物对其进行降解考察,具体方案如下:(1)硫掺杂高比表面积g-C3N4的制备及其光催化性能的研究。石墨相氮化碳(g-C3N4)比表面积较低,以及高的光生电子-空穴复合几率严重限制了其应用。以三聚氰胺(C3N3(NH23)为原料采用模板剂法制备了高比表面积的石墨相氮化碳(p-C3N4),并通过热聚合的方式将硫掺杂于p-C3N4中制备了硫掺杂高比表面积石墨相氮化碳(S-p-C3N4)。并在500W氙灯(配以420 nm滤光片)照射下通过光催化降解罗丹明B,光催化还原CO2和光催化水解制氢三种方式对催化活性进行考察。结果表明,硫掺杂能够有效的降低光生-电子空穴的复合几率,禁带宽度降低,提高光催化活性。其中1.5%S-p-C3N4表现出最佳活性,降解罗丹明B的速率是p-C3N4的15倍,生成CO和CH4的速率分别是p-C3N4的3.6、3.1倍,产氢速率为22.7μmol/g/h是p-C3N4 4.83倍。且1.5%S-p-C3N4催化剂循环使用5次后依然具有很高的催化活性。(2)氧掺杂高比表面积g-C3N4的制备及其光催性能的研究。以二氰二胺(C2H4N4)为原料采用模板剂法制备了高比表面积的石墨相氮化碳(p-C3N4),并通过热聚合的方式将氧掺杂于p-C3N4中制备了氧掺杂高比表面积石墨相氮化碳(O-p-C3N4)。在500 W氙灯照射下通过光催化降解罗丹明B和光催化水解制氢两种方式对催化活性进行考察。结果表明,氧掺杂能够有效的降低光生-电子空穴的复合几率,提高光催化活性。其中80%O-p-C3N4表现出最佳活性,降解罗丹明B的速率和产氢速率分别是p-C3N4的3.8倍、2.9倍。(3)高比表面积g-C3N4负载Keggin型Cu单晶取代杂多酸特异性光催化还原CO2制CH4。以三聚氰胺、二水合钨酸钠、二水合磷酸氢二钠、Cu Cl2等为原料,应用乙醚萃取法和模板剂法分别制备了Keggin型Cu单晶取代的杂多酸(PW11Cu)和高比表面积g-C3N4(PCN),并通过浸渍法将PW11Cu负载于PCN中(x%PCN)。结果表明,比表面积的增加以及PW11Cu的负载均能有效的降低光生电子-空穴的复合几率,能使吸收边界发生明显位移,从460 nm拓宽至495 nm,拓宽了光响应范围。通过光催化还原CO2对催化剂的活性及稳定性进行了考察,并对催化机理进行了探究。Cu单晶取代杂多酸的负载能够特异性还原CO2为CH4。并且当PW11Cu负载量为15%时表现出最佳的催化活性。
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