碳量子點及其銀復合材料的制備與光催化性能的研究.pdf

1、碳量子點是一種零維碳納米材料，由于其具有明顯的量子限域效應(yīng)，表現(xiàn)出了許多新的物理化學性質(zhì)，使它們在光催化領(lǐng)域有潛在應(yīng)用。以炭煤作為原料，用強氧化劑處理，可以剝離得到碳量子點。這種方法適用于低成本碳源以溶液的形式大量制備。然而，阻礙這種方法進行工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)高性能碳量子點的主要因素包括兩點：一是過量的氧化劑的去除，二是在酸堿中和時產(chǎn)生的鹽類的去除。因此，要想實現(xiàn)高性能碳量子點的大規(guī)模生產(chǎn)，最重要的是發(fā)展綠色簡便的制備工藝。除此之外，碳量子

2、點的光吸收主要集中在紫外光區(qū)域，限制了它在光催化領(lǐng)域的應(yīng)用，而原位復合銀可以提高其在可見光區(qū)域的光催化活性。銀與碳量子點復合不僅可以促進電荷的分離，還可以利用銀的等離子體共振吸收拓寬光吸收、使碳量子點的吸收峰紅移?；诖?，本論文首先對煤制備碳量子點的方法進行了改進，使其適用于大規(guī)模生產(chǎn)，而后利用光還原制備了兩種不同的復合結(jié)構(gòu)，研究了結(jié)構(gòu)對銀改性碳量子點的影響。研究的內(nèi)容以及成果主要有以下幾個方面：
　　1.用H2O2選擇氧化煤中的

3、有機碳制備了碳量子點，利用掃描電鏡、透射電鏡、紅外光譜、光電子能譜、熒光分光光度計和紫外-可見分光光度計等表征手段對煤和碳量子點的尺寸、結(jié)構(gòu)、元素、官能團、光學性質(zhì)和催化性質(zhì)進行表征。結(jié)果表明：碳量子點通過H2O2選擇氧化煤中的有機碳區(qū)域而分離晶體碳制備，形貌為類球形，尺寸為1-3nm。碳量子點主要由C和O元素構(gòu)成，含有C-O、C-C、C=O、-COOH和-OH等鍵。對CQDs的產(chǎn)率進行分析，發(fā)現(xiàn)與報道的方法相比提高很多，并且制備方法簡

4、便，適于大規(guī)模生產(chǎn)。對CQDs的可見光光催化性能進行測試，發(fā)現(xiàn)CQDs與商業(yè)光催化P25相比，有更高的光催化活性，從而找出了一種大規(guī)模生產(chǎn)高效光催化劑的方法。
　　2.針對目前CQDs在光催化方面的缺點，如可見光吸收弱、光催化活性較差等，進行改性設(shè)計。設(shè)計思路包含以下幾個方面：首先，銀具有等離子體共振吸收，在可見光區(qū)域有較強的吸收，與銀復合可以會提高CQDs在可見光區(qū)的吸收從能增強CQDs對可見光的利用率。其次，我們對合成方法進行

5、了設(shè)計。光還原是一種簡單、快速無污染制備銀復合材料的方法，我們根據(jù)CQDs的上轉(zhuǎn)換性質(zhì)，提出用可見光光還原原位制備Ag/CQDs納米結(jié)構(gòu)。最后，我們對光還原制備Ag/CQDs復合材料進行熱力學的可行性分析。根據(jù)熱力學形核原理，探究了碳量子點表面還原Ag+原位制備Ag/CQDs復合材料的熱力學條件，證明了光還原制備Ag/CQDs復合結(jié)構(gòu)在熱力學上的可行性。
　　3.我們根據(jù)設(shè)計思路，首先用乙二醇制備的碳量子點（CQDs-1）來進行初

6、步驗證。對實驗結(jié)果進行測試分析，發(fā)現(xiàn)光還原過程與設(shè)計思路一致。由于Ag的等離子體共振吸收與銀的粒徑和結(jié)構(gòu)有關(guān)，因此Ag對CQDs的改性有條件限制。為了找出Ag/CQDs復合結(jié)構(gòu)光吸收和光催化之間的關(guān)系，我們用第二種碳源制備的碳量子點（CQDs-2）光還原制備與Ag/CQDs-1不同的結(jié)構(gòu)。通過光吸收和光催化性能測試，我們發(fā)現(xiàn)Ag/CQDs-1與Ag/CQDs-2相比，尺寸較小，可見光吸收明顯增強，進而可將光的催化性能也大大提高。最后，我