石墨相氮化碳基功能材料的制備及光催化、傳感性能研究.pdf

1、近年來，隨著環(huán)境、能源、安全問題的日益突出，新型有機半導(dǎo)體材料石墨相氮化碳(g-C3N4)在各研究領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注。g-C3N4電子結(jié)構(gòu)獨特、化學(xué)穩(wěn)定性好，較之于傳統(tǒng)的金屬半導(dǎo)體材料，成本相對低廉，且在催化反應(yīng)過程中無有毒物質(zhì)釋放，環(huán)境友好。g-C3N4目前已被廣泛用作選擇性轉(zhuǎn)換有機官能團、氧還原、可見光光催化分解水制氫的催化劑以及貴金屬(Au、Ag、Pd、Pt等)催化劑的負載，其在能源和材料領(lǐng)域的地位日益突出。本文利用計算機模擬這

2、一現(xiàn)代化手段，對g-C3N4的結(jié)構(gòu)、光學(xué)以及熱學(xué)等基本性質(zhì)作了系統(tǒng)的模擬，以從理論上挖掘其潛在應(yīng)用價值;借助復(fù)合摻雜、超聲波輻射剝層等手段對g-C3N4進行了改性，有效地促進了其在光催化以及熒光傳感等領(lǐng)域的應(yīng)用;并成功地利用微波輻射法快速制備了g-C3N4.具體的研究工作包括以下四點:
　　1.利用第一性原理計算方法系統(tǒng)地計算模擬了g-C3N4的基本性能，如三維晶胞結(jié)構(gòu)，電子云分布，能帶結(jié)構(gòu)，態(tài)密度，熱學(xué)性質(zhì)以及光學(xué)性質(zhì)等。計算結(jié)

3、果表明，g-C3N4是直接帶隙半導(dǎo)體，帶隙寬度為2.7eV;熱穩(wěn)定性良好;N周邊的電子云密度明顯高于C周邊電子云密度;其在紫外光區(qū)有明顯的σ躍遷和π躍遷形成的吸收峰。且g-C3N4的光吸收最大波長值達450nm，具有較寬的光吸收響應(yīng)區(qū)間，這預(yù)示著g-C3N4在發(fā)光設(shè)備、光催化等領(lǐng)域有著廣泛的潛在應(yīng)用前景。
　　2.以四水合乙酸鎳(C4H6O4Ni·4H2O)與三聚氰胺(C3H6N6)為前驅(qū)體，通過一步煅燒法，成功制備了具有不同氧化

4、鎳(NiO)含量的新型無機-有機半導(dǎo)體復(fù)合材料光催化劑NiO-g-C3N4.對所得復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)以及光學(xué)性質(zhì)的表征發(fā)現(xiàn)，該復(fù)合材料中的NiO顆粒均勻地分散在g-C3N4中，且存在明顯的相互結(jié)合滲透。NiO的引入致使g-C3N4的光吸收邊產(chǎn)生了明顯的紅移，即提升了g-C3N4的可見光響應(yīng)性。該可見光響應(yīng)性的提升也在光催化降解次甲基藍(MB)性能上得到了體現(xiàn)。其中NiO質(zhì)量含量達6.3％的NiO-g-C3N4復(fù)合材料對MB的可見光催化降

5、解速率是g-C3N4的2.3倍。此研究為新型復(fù)合光催化材料的設(shè)計提供了新思路，同時也拓寬了g-C3N4的應(yīng)用研究范圍。
　　3.借助超聲細胞粉碎機，成功將塊狀g-C3N4剝離為具有高熒光活性的納米片層狀g-C3N4（熒光量子產(chǎn)率高達32％）。原子力顯微鏡(AFM)表征發(fā)現(xiàn)該納米片層材料的厚度僅有6～14nm，且水相分散性與穩(wěn)定性良好。將其應(yīng)用于硝基芳香爆炸物的熒光傳感檢測發(fā)現(xiàn):其對硝基芳香爆炸物能快速響應(yīng)，且具有高選擇性，靈敏性的

6、特點，并對4-硝基苯酚(PNP)具有更高的熒光猝滅選擇性，且該選擇性不受溶劑等因素的干擾。
　　4.利用微波輻射法成功地制備了g-C3N4光催化材料。通過控制微波功率、時間以及導(dǎo)熱劑含量等變量，結(jié)合X-射線衍射(XRD)，紫外-可見光譜(UV-Vis)，傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)等檢測手段，得到了最佳微波合成條件為高火，微波10min，C3H6N6/ZnCl2為1.2∶1.HRTEM以及XRD等表征結(jié)果證實所得產(chǎn)物的微觀結(jié)構(gòu)