二維超薄g-C3N4非金屬催化材料的制備及其光電催化性能研究.pdf

1、當(dāng)今社會(huì)，能源危機(jī)和環(huán)境污染是人類社會(huì)持續(xù)發(fā)展面臨的兩大挑戰(zhàn)，開發(fā)清潔的新能源技術(shù)刻不容緩。太陽能具有資源豐富，可循環(huán)再生，普遍易得，綠色無公害等諸多優(yōu)點(diǎn)，而氫作為可再生的二次能源載體，清潔、高效、可貯存、可運(yùn)輸，是理想的綠色能源，因此，利用太陽光分解水產(chǎn)氫是一種儲(chǔ)存和利用太陽能的理想途徑。半導(dǎo)體材料是吸收和轉(zhuǎn)化太陽能的關(guān)鍵所在，所以，開發(fā)經(jīng)濟(jì)高效的光催化劑材料是解決目前太陽能轉(zhuǎn)化利用問題的主要途徑之一。
　　TiO2等傳統(tǒng)半導(dǎo)體

2、催化劑還存在可見光利用效率不高，光腐蝕，催化劑穩(wěn)定性差等問題，這限制了半導(dǎo)體光催化劑的實(shí)際應(yīng)用。g-C3N4作為一種新型的非金屬聚合物半導(dǎo)體，具有二維類石墨烯結(jié)構(gòu)和優(yōu)越的電子特性，因其較小的帶隙能2.7eV，具有可見光響應(yīng)，能夠有效利用太陽能分解水產(chǎn)氫。然而，塊體g-C3N4比表面積小、液相分散性差、導(dǎo)電性差、光生載流子容易復(fù)合，光催化活性還很不令人滿意。在基于g-C3N4的改性研究中，形貌調(diào)節(jié)、元素?fù)诫s、半導(dǎo)體復(fù)合等手段，普遍存在高溫

3、共縮聚方法的局限性和不可控性。因此，本論文基于本征塊體g-C3N4，利用超聲液相剝離和酸化處理手段改善其形貌、比表面積、液相分散性和帶隙電子特性，進(jìn)而提高其光電催化性能。
　　本論文的主要研究?jī)?nèi)容與結(jié)論分為三部分：
　?、俨捎脽峤饪s聚有機(jī)物的方法，以含碳富氮的三聚氰胺為前驅(qū)體，高溫鍛燒制備bulk g-C3N4（B-g-C3N4）。采用超聲液相剝離和酸化處理的方法分散大塊g-C3N4，制備exfoliated g-C3N4納

4、米片（E-g-C3N4）和protonated g-C3N4納米片（P-g-C3N4）。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，液相超聲剝離處理，是基于大塊g-C3N4制備超薄二維納米片的有效手段，但是由于層間范德華力剝離分散的納米片趨于再團(tuán)聚，導(dǎo)致液相分散性不好，影響剝離效果。酸化處理能改變納米片表面電負(fù)性，引起電負(fù)性較大的N環(huán)和端基N原子的質(zhì)子化，相同電荷層間的表面斥力抵抗分子間作用力，有效的改善了其分散性。
　?、趯?shí)驗(yàn)系統(tǒng)表征了剝離和酸化對(duì)其形貌、表面狀

5、態(tài)、帶隙結(jié)構(gòu)和電子傳輸?shù)挠绊?。用液滴涂覆法，制備催化劑電極，利用電化學(xué)方法系統(tǒng)表征其光電催化活性。結(jié)果表明，相比于塊體的g-C3N4，剝離和酸化后的g-C3N4具有二維的超薄片狀結(jié)構(gòu)，可以提供更大的比表面積和反應(yīng)活性位點(diǎn)。質(zhì)子化后表面帶電性由負(fù)變正，且電勢(shì)絕對(duì)值增大，這是其液相均勻穩(wěn)定分散的主要原因。剝離和酸化處理影響g-C3N4的帶隙結(jié)構(gòu)，使帶寬變大，價(jià)帶和導(dǎo)帶位置均向正電位方向偏移。超薄的二維g-C3N4納米片具有更好的光生載流子分

6、離和傳輸特性，有效抑制了光生電子和空穴的復(fù)合，提高了光電催化效率。
　?、厶接懥瞬煌幚砉に嚫纳茐K體g-C3N4光電催化活性的機(jī)理。經(jīng)剝離和酸化處理，納米片的二維超薄結(jié)構(gòu)有利于光生載流子的傳輸，極大的提高了材料導(dǎo)電性，是提高光電催化活性的主要原因。其次，表面質(zhì)子化不僅使二維超薄結(jié)構(gòu)穩(wěn)定保持，還有利于催化產(chǎn)氫動(dòng)力學(xué)反應(yīng)。
　　本論文的研究工作可以為g-C3N4光催化材料的設(shè)計(jì)、制備、表征，尤其是g-C3N4二維納米片的自組裝和