论文部分内容阅读
目前环境问题和能源危机越来越引起了人们的广泛关注。化石燃料是恶化环境的主要因素之一,它表现在:二氧化碳的排放对环境造成温室效应问题,二氧化硫所形成的酸雨污染以及现在比较热点的PM2.5问题,所以找到清洁的可再生能源已经刻不容缓。氢气作为21世纪最清洁的能源之一而受到人们的重视。在众多的制备氢气的方法当中,光催化产氢是未来最好的方式之一。自2009年王心晨等人首次报道类石墨相氮化碳(g-C3N4)用于光催化研究以来,g-C3N4已成为光催化材料研究的重点。本文研究了g-C3N4的光催化产生氢气的性能,并通过各种调控手段以期改善其光催化性能,具体研究内容如下:(1)第三章,光生载流子在氮化碳材料中表现出高的复合效率,导致其较低的光催化产氢活性。我们通过回顾文献得出结论,在不引入异物或其他元素的条件下,仅依靠结构控制技术不足以减少在氮化碳材料中光生载流子的复合。因此,块状g-C3N4[CN(B)]、类球状/条状g-C3N4[CN(G/S)]和类球状/树状g-C3N4[CN(G/T)]通过简便的煅烧方法原位获得。与助催化剂Pt类似,我们发现类球状氮化碳作为自助催化剂能有效地提高光生载流子的分离效率。此外,CN(G/T)的空心树枝形态能有效地传递光生空穴,从而增强CN(G/T)的光催化产氢活性。(2)第四章,伴随着大的π-π共轭电子系统,传统的块状g-C3N4的光催化能力,仍然受到π-π堆叠的相互作用和少量的活性位点的约束。因此,一种简单的后处理方法,即在300℃下用碱蚀刻块状CN(CN(B))1 h以构建具有不同大小的π-π共轭电子系统的多孔CN纳米片。在这些化合物中,CN 3(2)表现出合适的共轭体系和大量的面内孔结构,并在碱解聚过程中保留了它吸收太阳光的能力。与CN(B)相比,CN 3(2)具有可扩展的带隙为2.66 eV,并伴随着大的比表面积为265.2 m2 g-1。然而,过量的碱处理CN纳米片显著降低了其可见光吸收能力和光催化性能,这证明了合适的π-π共轭电子系统是非常重要的。(3)第五章,一种简单的蒸汽聚合策略且通过使用氧气原位调节获得了具有大尺寸碳富有的多孔少层S-ACN纳米片。有趣的是,在没有氧气原位调节下,我们采用相同的制备策略合成出碳富有无定形的空心立方S-NCN材料。因此,S-ACN显示出明显改善的光催化产氢活性。(4)第六章,一种简便的方法用来制备网状氮化碳材料(CN-4N)。我们利用CN-4N的自捕获特性捕捉均匀分散在水溶液中的纳米粒子,这可以在CN-4N的内表面注入黑磷量子点(BQ),从而形成独特的结构,而不是正常的外表面接触模式。优化后的CN-4N(BQ)表现出良好的稳定性,其产氢率为13.83 mmol h-1g-1,这分别比CN-4N和块状CN(NCN)高大约3.3和35.5倍。实验结果表明,在CN-4N(BQ)样品中丰富的活性位点、优异的可见-近红外吸收能力、空间分离的氧化还原反应活性位点和极大地提高光诱导电子-空穴的分离效率等优点,它们协同地提高了CN-4N(BQ)样品的光催化活性。(5)第七章,高效的光生载流子迁移和足够的光吸收在改善g-C3N4的光催化产氢活性中起着至关重要的作用。因此,我们报道了新的概念,即通过聚乙烯醇缩丁醛和三聚氰胺膜的热聚合,去构建在超薄氮化碳平面内植入石墨碳环区域。与石墨烯吸附在块状g-C3N4的表面上,CN-GP在修饰类型上显示出明显的差异。这种具有独特的平面内异质结构的CN-GP可以极大地遮蔽可见-近红外光范围、加速光生电子-空穴对的分离、并通过其合适的能带结构和内置电场削弱阻碍传输光生载流子的屏障。