g-C3N4基光催化剂的制备及应用研究

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为了应对能源危机和环境恶化,人们进行了许多的探索。研究发现,利用半导体光催化剂可以将光能转化为化学能,从而实现能量转换或有机污染物的降解。非金属半导体材料石墨相氮化碳(g-C3N4)具有可见光响应(Eg=2.7 eV)、稳定性好、无毒无害等优点,因而倍受研究者们的青睐。然而,传统热解法制备的纯g-C3N4,往往片层聚集,比表面积较小,可见光吸收范围较窄,光照产生的电子-空穴对也极易发生复合,使得对太阳光的利用率降低。如何提高g-C3N4材料的光催化活性,已成为现阶段的研究重点。为了提高g-C3N4材料的光催化性能,本文主要通过四个方面对其改性:提高其比表面积,与溴氧铋(BiOBr)构建异质结,Ni和Fe金属离子掺杂,纳米Ag修饰。具体工作如下:(1)通过热解三聚氰胺和纳米SiO2的混合物,制备了高比表面积的SiO2与g-C3N4的复合材料(SiO2/C3N4)。采用XRD、SEM表征了材料的形貌与结构,XPS分析了C、N元素的化学状态。DRS、PL进一步分析了SiO2/C3N4的半导体性质。结果表明,通过改变SiO2的加入量可以调节g-C3N4的比表面积、C/N原子比及其带隙宽度。其中,SiO2与三聚氰胺质量比为4:5(记为Si O2/g-C3N4-4:5)时,拥有最佳的光催化活性。(2)以SiO2/C3N4-4:5、硝酸铋(Bi(NO3)·5H2O)和十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)为原料,制备了SiO2/C3N4/BiOBr复合材料。采用XRD、SEM、BET、DRS、PL表征了材料的形貌、结构及其半导体性质,并以罗丹明B溶液作为目标污染物进行光催化实验。结果表明:BiOBr与SiO2/C3N4复合形成了g-C3N4/BiOBr异质结构,有效提高了光生电子与空穴的分离效率,从而增强了材料的光催化性能。(3)以三聚氰胺、硝酸铁(Fe(NO33·9H2O)和硝酸镍(Ni(NO33·6H2O)为原料,制备了一系列不同掺杂比例的Ni/Fe共掺杂的g-C3N4(x%Ni/Fe-C3N4)光催化剂。采用通过XRD、SEM表征了材料的形貌与结构,XPS分析了C、N元素的化学状态。DRS、PL进一步分析了Ni/Fe-C3N4的半导体性质。结果表明,Ni/Fe的掺杂提高了g-C3N4的比表面积,降低了g-C3N4的带隙宽度,有效抑制了光生电子-空穴对的复合率。其中,Fe(NO33·9H2O和Ni(NO33·6H2O的总质量和与三聚氰胺质量比为10%(即10%Ni/Fe-C3N4)时,拥有最佳的光催化活性。(4)通过光照还原法在10%Ni/Fe-C3N4表面原位沉积Ag,制得Ni/Fe-C3N4/Ag复合材料,采用XRD、SEM、BET、DRS和PL等手段对材料进行了表征。结果表明,掺杂Ni/Fe和沉积的纳米Ag协同作用,增强了Ni/Fe-C3N4/Ag的光吸收能力,促进了光生电子和空穴的有效分离,有效提高了材料的光催化性能。
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