Cu基半导体掺杂改性g-C3N4的研究

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类石墨相氮化碳g-C3N4是一种新型稳定安全无毒非金属的具有特殊光电性质的半导体,在光催化降解有机污染物、光解水产氢、光催化有机选择性合成、传感器等领域有着广泛的应用。但因其比表面积小,分散性差,光生电子-空穴对具有较高的复合率,对光的利用率低,因此,为提高g-C3N4的光催化性质,本文选取典型的CuS半导体纳米材料对g-C3N4进行改性。分别采用微波辅助法、共沉淀法、溶剂热法制备了多种形貌CuS/g-C3N4复合物,并对性质与形貌之间的依赖关系进行了研究。同时,将所制备的CuS/g-C3N4纳米复合物作为光催化剂用于罗丹明B的降解。本文主要研究内容如下:(1)首先采用热缩聚法制备g-C3N4,再采用微波辅助法制备CuS纳米片/g-C3N4纳米复合物,详细地研究了铜源、配体、硫源对纳米CuS形貌的影响,并对其形貌、光电性质进行了表征。结果表明,硫源和配体是影响纳米CuS形貌的关键因素,以硫代乙酰胺为硫源、配体为乙二胺时得到单分散的六方晶相CuS纳米片。六方片CuS改性g-C3N4后,其Eg为2.15 eV,光电流响应值为0.167?A cm-2,较纯的g-C3N4提高了6.3倍。将复合物作为光催化剂用于罗丹明B和甲基橙溶液的降解,可见光照分别为15 min和60 min后,降解率分别达到了98%和100%,降解速率分别为0.3823 min-1和0.059 min-1,其罗丹明B的降解速率远高于文献报道的0.0289 min-1,并研究其降解机理。(2)采用共沉淀法制备了CuS纳米管/g-C3N4纳米复合物。探索了碱源、g-C3N4加入顺序、反应时间等合成参数的影响,并对其形貌和光电性质进行了表征。结果表明,碱源的类型和反应时间是CuS纳米管形成的关键因素。相对于单独的g-C3N4,复合物Eg降低了0.35 eV,光电流提高了3.1倍,荧光强度降低了8.6倍。将其应用于罗丹明B溶液的降解,降解速率提高了47.6倍。(3)采用微波辅助法制备了CuS量子点/g-C3N4纳米复合物;采用溶剂热法制备了CuS纳米球花/g-C3N4复合物。详细地研究了四种形貌CuS/g-C3N4纳米复合物的光电性质以及光催化活性的差异。结果表明,CuS量子点/g-C3N4、CuS纳米管/g-C3N4、CuS纳米球花/g-C3N4、CuS纳米片/g-C3N4复合物和g-C3N4的Eg和光电流响应值分别为2.50 eV,2.38 eV,2.58 eV,2.17 eV,2.70 eV;0.0964?A cm-2,0.0964?A cm-2,0.0444?A cm-2,0.167?A cm-2,0.0260?A cm-2。其中CuS纳米片/g-C3N4复合物的Eg(2.17 eV)最低,光电流响应值(0.167?A cm-2)最大,光催化活性最高。将其分别用于光催化降解罗丹明B,CuS纳米片/g-C3N4复合物的降解速率为0.3823 min-1,分别优于其他形貌的降解速率(CuS量子点/g-C3N4:0.2502 min-1;CuS纳米管/g-C3N4:0.08931 min-1;CuS纳米球花/g-C3N4:0.1959min-1)和单独的g-C3N4(0.00218 min-1),推测原因是CuS纳米片与g-C3N4片复合时接触紧密,复合效果好,有助于光生电子的传输和空穴的分离。
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