氮化碳納米材料及其光催化制氫性能研究.pdf

1、受到植物光合作用的啟發(fā)，人們采用光催化分解水制取氫氣和氧氣、凈化空氣、能量轉(zhuǎn)換等方法來提高太陽能利用，故制備高性能、廉價(jià)、無污染的光催化劑成為人們一直努力和奮斗的目標(biāo)。本文以三聚氰胺(MEL)和三聚氰酸（CYA）為基礎(chǔ)組分合成的超分子MCA制備含有孔洞結(jié)構(gòu)的石墨相氮化碳材料，從P25出發(fā)，通過物理共混和原位焙燒對(duì)氮化碳材料進(jìn)行改性，分別制備氮化碳（550℃）/TiO2納米復(fù)合材料、氮化碳（550℃）/氮摻雜TiO2（NT）納米復(fù)合材料、

2、P25+MEL+CYA納米復(fù)合材料、NT+MEL+CYA納米復(fù)合材料，并通過可見光分解水制氫對(duì)以上五種材料的光催化性能進(jìn)行評(píng)估。將表征結(jié)果與活性數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，得到如下結(jié)論：
　?。?）以MCA為前驅(qū)體制備氮化碳材料，通過紅外光譜（FT-IR）對(duì)MCA、MEL和CYA進(jìn)行表征，結(jié)果表明：前驅(qū)體MCA中的三嗪環(huán)和C=O基團(tuán)特征峰相對(duì)于MEL和CYA分子中基團(tuán)特征峰分別發(fā)生藍(lán)移和紅移，這說明MCA分子中形成氫鍵結(jié)構(gòu)。當(dāng)燒結(jié)溫度高于400℃

3、時(shí)，MEL和CYA的特征峰消失，在波數(shù)810 cm?1、1313 cm?1、1415 cm?1、1599 cm?1和3200cm?1處出現(xiàn)新的庚嗪環(huán)特征峰，波數(shù)為1552cm?1、1328cm?1處分別出現(xiàn)C=N，C-N的特征峰。根據(jù)UV-vis譜圖可知：不同溫度下材料的帶隙分別是2.9eV（350℃）、2.8eV（400℃）、2.7eV（450℃）、2.6eV（500℃）、2.8eV（550℃）、2.9eV（600℃）、2.9eV（6

4、50℃）。通過 TEM和SEM觀察材料的結(jié)構(gòu)，當(dāng)燒結(jié)溫度升高時(shí)，材料的結(jié)構(gòu)由密實(shí)的的共晶實(shí)心球轉(zhuǎn)變成帶有空洞的層狀類石墨相蓬松球。觀察材料的XRD衍射圖，350℃燒結(jié)的氮化碳材料在10.67°和27.9°處有明顯的衍射峰，它們分別來自于（100）和（002）晶面的衍射信號(hào)；當(dāng)燒結(jié)溫度升至400℃，（100）晶面的衍射峰消失，(002)晶面的衍射峰偏移至27.4°處；當(dāng)燒結(jié)溫度從400℃升至550℃，衍射峰寬逐漸變窄，形成尖峰，說明材料在

5、此溫度區(qū)間層狀結(jié)構(gòu)逐漸完善，但在600℃和650℃的燒結(jié)溫度下，(002)晶面的衍射峰進(jìn)一步偏移至27.3°，晶面間距d=0.326nm，相對(duì)于350℃燒結(jié)氮化碳材料的層間距0.320nm有所增加，說明材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)在600℃開始發(fā)生輕微的破壞。分析材料的XPS譜圖，計(jì)算出不同溫度時(shí)材料內(nèi)部元素C/N（％）比例關(guān)系分別是：0.64（25℃），0.64（350℃），0.68（400℃），0.72（500℃），0.75（650℃），說明溫度升

6、高，材料中C/N（%）比例關(guān)系逐漸接近理想結(jié)晶性石墨相氮化碳材料中C/N（%）0.75。
　?。?）通過FT-IR、SEM、XRD對(duì)氮化碳（550℃）/TiO2納米復(fù)合材料、氮化碳（550℃）/氮摻雜TiO2（NT）納米復(fù)合材料、P25+MEL+CYA納米復(fù)合材料、NT+MEL+CYA納米復(fù)合材料進(jìn)行表征分析，四種材料的基團(tuán)特征峰和衍射峰存在相似的變化規(guī)律，SEM圖顯示P25在復(fù)合材料中的分散性比較好，而NT在材料中出現(xiàn)明顯的團(tuán)聚

7、。
　?。?）在可見光下照射下，以MCA為前驅(qū)體在不同溫度下制備的氮化碳材料的光催化性能呈拋物線趨勢(shì)，在550℃制備的氮化碳材料的催化性能最好，制氫速率約2316μmol·h-1·g-1，而以MEL制備的實(shí)體氮化碳制氫速率僅有225μmol·h-1·g-1，該結(jié)果說明通過超分子能夠有效控制氮化碳的平面結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提高其光催化性能。物理共混制備氮化碳（550℃）/TiO2(P25)納米復(fù)合材料和氮化碳（550℃）/氮摻雜TiO2(NT

8、)納米復(fù)合材料的制氫速率分別是2997μmol·h-1·g-1，876μmol·h-1·g-1，該結(jié)果表明沒有氮摻雜的TiO2與碳化氮共混具有更高的光催化性能，說明物理共混過程中氮化碳材料中的氮元素能夠?qū)iO2進(jìn)行氮摻雜，提高TiO2與氮化碳之間的電荷傳輸，進(jìn)而提高其光催化性能。原位焙燒制備氮化碳/TiO2(P25)納米復(fù)合材料（550℃）和化碳/氮摻雜TiO2(NT)納米復(fù)合材料（550℃）的制氫速率分別是706.5μmol·h-1