基于g-C3N4量子點的異質(zhì)結(jié)光電極的制備及其降解酚類的性能研究.pdf

1、長期以來，半導體光催化劑以其在處理能源危機和環(huán)境污染方面的巨大應(yīng)用潛力而備受關(guān)注，其中以 TiO2半導體材料的研究最為普遍。然而，目前常用的光催化劑大多存在光響應(yīng)范圍窄、光生電荷復合嚴重等問題，成為阻礙光催化技術(shù)發(fā)展的主要障礙。硅材料是另外一種常用光催化材料，其具有儲量豐富、加工技術(shù)成熟的優(yōu)點，但硅材料目前面臨的最大問題是在空氣和水溶液中極易鈍化，使其表面形成絕緣的氧化層，阻礙光生電荷的傳遞，進而影響光電催化性能。針對 TiO2和硅材料

2、存在的問題，本文研究制備了石墨相氮化碳量子點（g-C3N4 QDs），將其作為保護層材料來修飾 TiO2納米管（TNTAs）及硅納米線（SiNWs）材料。g-C3N4是一種具有可見光響應(yīng)的不含金屬的半導體光催化材料，光響應(yīng)能力和電子傳遞能力較強。g-C3N4量子點具有尺寸小、光化學穩(wěn)定性高等的特點，將其作為修飾材料包覆在其他半導體表面，可以起到拓寬可見光吸收范圍、防止光腐蝕及降低光生電荷復合率的作用，從而提高材料的光電催化效率。

3、　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴選取三聚氰胺為材料來源，采用直接熱聚合法制備g-C3N4，然后依次通過酸剝離、水熱法、超聲振蕩等步驟逐步剝離，制備出g-C3N4量子點（g-C3N4 QDs）溶液。隨后，通過陽極氧化法制備TiO2納米管陣列，并采用浸漬沉積法將g-C3N4 QDs沉積到TNTAs表面制備g-C3N4 QDs/TNTAs復合物。TEM結(jié)果表明，g-C3N4 QDs的尺寸分布在2-6 nm之間，主要集中在3 nm左右。SEM結(jié)果表明

4、，Ti基底生長的納米管陣列由大量細小的納米管組成，排列規(guī)則整齊，呈現(xiàn)出有序的 TiO2納米管陣列形貌。紫外可見漫反射光譜測試結(jié)果表明，修飾g-C3N4 QDs后，TiO2納米管在紫外區(qū)和可見光區(qū)的響應(yīng)能力都明顯增強。實驗中對復合物的制備條件進行了優(yōu)化，結(jié)果表明，量子點溶液濃度為0.2 mg mL-1，浸漬60 min時，所制備的g-C3N4 QDs/TNTAs復合物表現(xiàn)出最佳的性能。光照下光電流密度最大達到0.64 mA/cm2(0.6

5、 Vvs. SCE)，是未修飾TNTAs的4.3倍，表明復合物具有較高的光生電子-空穴分離能力。在光電催化降解苯酚的實驗中，g-C3N4 QDs/TNTAs復合物同樣表現(xiàn)出良好的光電催化性能。在氙燈照射下，偏壓為0.6 V時，g-C3N4 QDs/TNTAs在120 min內(nèi)對苯酚的降解率可達到98.6%，而相同條件下TNTAs對苯酚的降解率僅為59.3%。對動力學常數(shù)的計算結(jié)果表明，g-C3N4 QDs/TNTAs復合物降解苯酚過程中

6、的動力學常數(shù)為0.032 min-1，是未修飾TNTAs（0.007 min-1）的4.6倍。⑵采用化學刻蝕法制備了硅納米線陣列，隨后采用浸漬沉積法制備得到SiNWs@g-C3N4 QDs復合光催化劑。SEM結(jié)果顯示，SiNWs垂直地生長在Si基底表面，且隨刻蝕時間的不斷延長，SiNWs的長度增加。TEM圖像顯示，SiNWs@g-C3N4 QDs復合光催化劑中g(shù)-C3N4 QDs包覆在SiNWs表面形成保護層，同時在SiNWs的表面也有

7、納米孔的形成。XPS結(jié)果表明，SiNWs@g-C3N4 QDs復合物由Si、C、N、O元素組成。光電化學測試結(jié)果表明，刻蝕時間為5 min，硅納米線長度為2μm時的SiNWs表現(xiàn)出比較穩(wěn)定的光電化學性質(zhì)，SiNWs@g-C3N4 QDs的光電流密度最大達到6.7 mA cm-2（偏壓-1.5 V vs. SCE），是未修飾SiNWs的1.6倍。光電催化降解4-氯酚的實驗結(jié)果表明，可見光照射下，偏壓為-1.2V(vs. SCE)時，SiN