高活性g-C3N4基光催化劑的設(shè)計(jì)合成及其機(jī)制研究.pdf

1、石墨型氮化碳(g-C3N4)是一種新型的聚合物半導(dǎo)體光催化劑，其具有類似于石墨的片層結(jié)構(gòu)、合適的能帶結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)，在光催化降解污染物、分解水產(chǎn)氫和還原CO2等環(huán)境、能源領(lǐng)域的應(yīng)用中均表現(xiàn)出了較好的應(yīng)用前景。然而，較高的光生載流子復(fù)合影響了其光催化性能的進(jìn)一步改善。為此，本論文探索了無(wú)機(jī)酸表面修飾和在異質(zhì)結(jié)復(fù)合體構(gòu)建中引入功能橋的改性策略，致力于通過(guò)改善g-C3N4光生電荷分離狀況而提高其光催化活性，同時(shí)重點(diǎn)揭示以上改性策略

2、對(duì)g-C3N4光生電荷性質(zhì)及光催化活性的影響機(jī)制。
　　在光催化降解有機(jī)污染物過(guò)程中，O2是最為重要且普遍的氧化劑，其能夠捕獲半導(dǎo)體中的光生電子，繼而被活化引發(fā)反應(yīng)。因此，提高光催化劑表面O2吸附有望進(jìn)一步提高其光催化活性。本論文采用簡(jiǎn)單的浸漬法，實(shí)現(xiàn)了磷酸對(duì)g-C3N4的表面修飾。適量磷酸修飾可顯著提高g-C3N4樣品光催化降解污染物活性。通過(guò)O2-程序升溫脫附(O2-TPD)、氣氛可控(AC-SPS)及時(shí)間分辨表面光電壓譜(T

3、PV)等測(cè)試表明，其光催化活性的改善主要?dú)w因于適量的磷酸修飾能夠提高g-C3N4表面吸附O2的量，進(jìn)而促進(jìn)了O2對(duì)g-C3N4光生電子的捕獲，抑制了光生載流子的復(fù)合，延長(zhǎng)了光生載流子的壽命。此外，利用硫酸、氫氟酸修飾亦可增加g-C3N4表面O2的吸附量，提高g-C3N4光催化活性。進(jìn)一步證明利用無(wú)機(jī)酸修飾促進(jìn)g-C3N4表面O2吸附，進(jìn)而改善其光催化活性是可行的。
　　基于能級(jí)匹配的原則構(gòu)筑復(fù)合體也是提高半導(dǎo)體光催化劑光生電荷分離

4、效率的有效手段。在構(gòu)建復(fù)合體過(guò)程中，組分間的界面接觸在很大程度影響著復(fù)合體中的電荷轉(zhuǎn)移和分離，進(jìn)而影響其光催化性能。本文通過(guò)簡(jiǎn)單的濕化學(xué)法構(gòu)建了ZnO/g-C3N4復(fù)合體，進(jìn)一步成功地引入了“-Si-O-”功能橋而構(gòu)筑了硅氧橋連的ZnO/g-C3N4復(fù)合體。基于AC-SPS、TPV、交流阻抗(EIS)等測(cè)試結(jié)果，證實(shí)了復(fù)合體中的ZnO可以接受來(lái)自g-C3N4導(dǎo)帶的光生電子。尤其是“-Si-O-”功能橋的引入加強(qiáng)了ZnO與g-C3N4的界

5、面連接，進(jìn)一步促進(jìn)了光生電子的轉(zhuǎn)移，進(jìn)而顯著改善和延長(zhǎng)了復(fù)合體光生載流子的分離及壽命。因此，適量ZnO的復(fù)合有效地改善了g-C3N4光催化降解苯酚和光催化水產(chǎn)H2的性能，而橋連的引入進(jìn)一步提高了其光催化活性。
　　為了進(jìn)一步拓展和豐富橋連體系及橋連思想，本文又開(kāi)展了磷氧橋連TiO2/g-C3N4復(fù)合體的研究工作。通過(guò)濕化學(xué)法構(gòu)筑了TiO2/g-C3N4復(fù)合體，又進(jìn)一步成功地構(gòu)筑了磷氧橋連的TiO2/g-C3N4復(fù)合體。結(jié)果表明，T

6、iO2的引入可有效改善g-C3N4光生載流子的分離?！?P-O-”功能橋的引入加強(qiáng)了TiO2與g-C3N4間的有效連接，促進(jìn)了g-C3N4的光生電子向TiO2的轉(zhuǎn)移，進(jìn)而顯著改善和延長(zhǎng)了復(fù)合體光生載流子的分離及壽命。因此，顯著地提高了g-C3N4光催化降解苯酚和光催化還原CO2的性能。進(jìn)一步確認(rèn)了橋連復(fù)合體的構(gòu)筑是促進(jìn)g-C3N4光生電荷分離，進(jìn)而提高g-C3N4活性的有效策略。
　　通過(guò)以上改性策略，較好地解決了g-C3N4光生