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作者：

石磊

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摘要：

半导体光催化技术可以通过光催化剂将太阳能用于降解水和空气中污染物、裂解水制氢、二氧化碳还原以及有机合成等反应中,在治理环境污染和能源危机方面展现出潜在的应用。但是,目前传统半导体光催化剂(如TiO2、ZnO等)存在光量子效率低、易失活和太阳能利用率不足等缺点,这使得半导体光催化技术很难实际应用。因此,新型高效半导体光催化剂的开发就成为当今光催化领域的研究热点。类石墨型氮化碳(g-C_3N_4)凭借其较低的禁带宽度(约为2.7 eV)以及特殊的电子结构,在可见光光解水产氢和光催化降解有机污染物等方面展现出极好的活性,是一种理化性能优良的光催化剂。然而,比表面积低、光生电子与空穴容易复合等缺点严重影响其光催化的性能。因此,在本文中利用半导体、介孔碳复合的方法来提高g-C_3N_4光生电子与空穴的分离效率,利用原位模板法(硬模板法和气泡模板法)来制备具有多孔结构的g-C_3N_4,增加其表面积,最后,又通过半导体复合改性多孔结构g-C_3N_4的方式制备出具有较高比表面积和较低光生电子与空穴的复合效率的光催化剂,具体的研究结果包括以下几方面:(1)制备出新型的Ag2O/g-C_3N_4复合光催化剂,粒径为5~10 nm的Ag2O纳米颗粒均一地分布在氮化碳的表面,有助于提高其可见光的响应以及光生载流子的分离效率,当Ag2O与g-C_3N_4的质量比为1:4时,所制备的样品展现出最佳的光催化能力,其降解罗丹明B(RhB)的反应速率常数达到了单一相g-C_3N_4的4.5倍以及Ag2O的2.7倍。此外,制备出有序介孔碳改性的氮化碳(OMC/g-C_3N_4)复合材料,有序介孔碳的负载使复合材料比表面积增大、可见光吸收增强,并且光生电子与空穴的分离效率提高,这些因素有助于所制备OMC/g-C_3N_4复合材料展现更好的光催化降解污染物的能力,并根据实验结果提出了可能的光催化反应机理。(2)分别以单氨腈及尿素为前驱体,利用硅酸乙酯(TEOS)酸性原位水解成SiO2作为模板,制备出介孔氮化碳。所制备的介孔氮化碳具有较大的比表面积、较高的光生电子与空穴的分离效果,致使其具有较好的光催化降解污染物及裂解水制氢的能力。同时,还考察了TEOS的加入量对介孔氮化碳比表面积及催化活性的影响。(3)利用简单有效的气泡模板法制备较大比表面积的多孔g-C_3N_4。首先,以盐酸胍作前驱体,通过调节热聚合的温度,利用其热分解过程中产生的HCl和NH3气体做模板制备不同比表面积的多孔g-C_3N_4。以罗丹明B为模型污染物考察其可见光光催化活性,实验结果表明所制备多孔g-C_3N_4的比表面积随着煅烧温度的升高而增大,光催化活性也随着增强。另外,以几种铵盐作为气泡模板剂,三聚氰胺作为前驱体,通过高温热聚合制备多孔g-C_3N_4,在热聚合的过程中铵盐会直接分解为气体作模板。同时,考察了该方法的普适性,并对多孔g-C_3N_4的形貌和结构进行系统地表征,进一步研究其光催化降解污染物和光解水制氢方面的性能及光催化作用机理,揭示了材料的结构和催化活性之间的构效关系。(4)新型的Ag2CrO4/pg-C_3N_4复合光催化剂的合成采用共沉淀法将粒径为2~5 nm的Ag2CrO4纳米颗粒均一地沉积到以盐酸胍为前驱体制备的具有大比表面积介孔氮化碳(pg-C_3N_4)表面。该复合光催化剂有较强的可见光的响应以及较好的光生载流子的分离效率,在可见光下降解罗丹明B以及苯酚的反应中,表现出优异的催化活性和稳定性。

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关键词：

光催化 氮化碳基材料 可见光 污染物降解 分解水制氢

学位级别：

博士

学位年度：

2016

DOI：

10.7666/d.D01102201

被引量：

1