石墨相氮化碳的制備及其光催化性能研究.pdf

1、隨著愈加嚴峻的能源短缺和環(huán)境污染形勢，人類對可再生能源的關注度逐漸增加。其中，太陽能因其清潔、豐富的特性成為人們的研究熱點。半導體光催化技術，作為太陽能利用的重要技術手段，在能源和環(huán)境領域顯現(xiàn)出獨特優(yōu)勢。石墨相氮化碳(g-C3N4)作為一種非金屬、二維共軛聚合物半導體，因具備非金屬性、可見光響應性、物理化學穩(wěn)定性且制備方法簡單、原料廉價易得，所以近年來成為光催化領域的研究熱點。但是，熱縮聚法制備的體相g-C3N4比表面積小、導電性能差，

2、光生電子-空穴復合嚴重，大大降低了產物的量子效率和光催化效果。因此，開發(fā)新穎的g-C3N4制備方法，制備具有獨特結構、高比表面積、光生電子-空穴分離性能好且導電性優(yōu)良的g-C3N4仍然面臨巨大的挑戰(zhàn)。本研究論文從g-C3N4的制備和改性兩方面入手，對不同前驅體合成的g-C3N4加以對比研究，并利用納米結構設計和異質結構筑的方式制備結構獨特、性能優(yōu)良的g-C3N4基光催化材料。主要研究結果如下：
　?。?）不同前驅體合成g-C3N4

3、的研究。選用六種不同的前軀體以熱縮聚法合成g-C3N4，發(fā)現(xiàn)不同前驅體合成的g-C3N4在形貌、結構、光學性能、光生電子-空穴分離性能以及光催化性能等方面存在明顯差異。其中，含硫前驅體合成的g-C3N4具有較為優(yōu)良的光吸收性質和光生電子-空穴分離能力；以尿素為前驅體合成的g-C3N4含有多孔納米片結構，且具有最優(yōu)的亞甲基藍脫除效果，3h的脫除率達到99.4%，可見光催化反應速率常數(shù)達到1.446h-1。
　　（2）g-C3N4納米

4、環(huán)結構的控制制備及光催化性能。將模板法和化學氣相沉積法相結合，利用“限域空間”生長機制首次制備出g-C3N4納米環(huán)結構（g-CNNRs）。g-CNNRs尺寸均一、單分散、比表面積大，對波長為500-800nm的可見光的吸收性能增強，可以有效引導光生電子-空穴的定向傳輸和分離，并縮短載荷的傳輸距離，從而有效抑制了載荷復合。此外，發(fā)現(xiàn)化學氣相沉積溫度、沉積時間、硅球模板粒徑和載氣流速對產物的形貌和尺寸有重要影響，通過實驗參數(shù)優(yōu)化和調控，可以

5、實現(xiàn)g-CNNRs結構的可控制備。g-CNNRs可見光催化降解亞甲基藍性能明顯優(yōu)于體相g-C3N4，其中，制備的g-CNNRs-2光催化反應速率常數(shù)為0.27h-1，是體相g-C3N4光催化速率常數(shù)（0.05h-1）的5.4倍，7h對亞甲基藍的脫除率達到83%。
　?。?）g-C3N4/TiO2二元復合結構的構建及光催化性能。通過簡易的一步化學氣相沉積法在商業(yè)化P25顆粒表面包覆g-C3N4層，構筑g-C3N4/TiO2二元異質結

6、結構。結果表明，與體相g-C3N4和P25相比，產物在波長450-600nm范圍內具有更優(yōu)異的光吸收性能，且能有效誘導光生電子-空穴的傳輸和分離，抑制載流子復合。探究了化學氣相沉積溫度、時間以及載氣流速對產物的形貌、結構及性能的影響，發(fā)現(xiàn)當化學氣相沉積溫度為550℃，反應時間為2h，載氣流速為200ml/min時，所得產物具有最佳的可見光催化降解亞甲基藍(MB)效果，6h對MB脫除率達72.0%，光反應速率常數(shù)為0.217h-1，分別是