隨著工業(yè)和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,環(huán)境污染問題日益突出,特別是水資源污染日趨成為人們關(guān)注的焦點(diǎn),諸如難降解有機(jī)物、重金屬、病原微生物等水體污染物已對(duì)食品安全和人類健康構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。因此,如何快速高效地去除水體中的污染物,以及檢測食品中的危害物質(zhì)已成為重要的研究目標(biāo)。光催化技術(shù)以及半導(dǎo)體材料的熒光特性提供了一種綠色、高效的解決方案。其中,類石墨相氮化碳（g-C₃N₄）憑借其可見光響應(yīng)、非金屬、穩(wěn)定性好、成本低等特點(diǎn),不僅在光催化領(lǐng)域頗受青睞,同時(shí)還能夠作為熒光探針用于食品危害物的檢測。本文以g-C₃N₄為主體材料,通過形貌調(diào)控、元素?fù)诫s以及異質(zhì)結(jié)構(gòu)筑對(duì)其進(jìn)行功能化改性,進(jìn)一步提升其光催化活性和熒光性能,實(shí)現(xiàn)g-C₃N₄基非金屬材料對(duì)食品危害物的高效檢測和有效控制去除。具體研究內(nèi)容如下。1.通過原位靜電組裝制備了苝二酰亞胺（PDI）/氧摻雜g-C₃N₄納米片（O-CN）全有機(jī)異質(zhì)結(jié)光催化劑,并利用多種手段系統(tǒng)地研究了PDI... 

【文章來源】：江南大學(xué)江蘇省211工程院校教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：92 頁

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

半導(dǎo)體光催化原理的示意圖：（I）光激發(fā)形成載流子；（II）載流子復(fù)合釋放能量；（III）

突??榷ㄐ浴?-C3N4是最穩(wěn)定的氮化碳同素異形體，它由單層的薄片通過范德華力堆積而成，層間距約為0.326nm，比石墨堆積更致密。g-C3N4的精確結(jié)構(gòu)由兩個(gè)主要單元組成，即三-s-三嗪環(huán)（C6N7，或七嗪環(huán)）和s-三嗪（C3N3）環(huán)，如圖所示，在這兩種基本結(jié)構(gòu)中，C和N原子均為sp2雜化，形成類似于苯環(huán)的芳香環(huán)結(jié)構(gòu)，而軌道上的孤對(duì)電子通過相互作用形成大π鍵，組成共軛體系。三嗪環(huán)或七嗪環(huán)單元通過叔胺連接形成無限拓展的平面網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[94,95]。兩種結(jié)構(gòu)的密度泛函理論（DFT）計(jì)算結(jié)果表明，以七嗪環(huán)為基本單元的結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定[96]。圖1-2（a）g-C3N4的三嗪環(huán)結(jié)構(gòu)單元；（b）g-C3N4的三-s-三嗪環(huán)結(jié)構(gòu)單元[95]Fig.1-2(a)Triazineand(b)tris-s-triazine-basedstructuresofg-C3N4g-C3N4合成途徑很多，主要有沉積法、固相反應(yīng)法、熱聚合法以及溶劑熱法等。熱聚合法通過熱解富含氮的前體（如三聚氰胺、硫脲、尿素和氰胺）得到塊狀g-C3N4，因?yàn)椴僮骱唵�、可大批量合成、反�?yīng)條件易控制，成為目前g-C3N4制備的主流方法[97,98]。g-C3N4的帶隙約為2.7eV，這使其能夠吸收太陽光譜中的可見光部分。此外，從熱力學(xué)角度出發(fā)，半導(dǎo)體VB和CB的位置決定了光生載流子的還原和氧化能力。g-C3N4的CB位置約為1.3V（vs.NHE），VB位置約為+1.4V（vs.NHE），這使其能夠滿足大多數(shù)光催化反應(yīng)的要求，因此在環(huán)境凈化領(lǐng)域的地位日益突出。g-C3N4已被廣泛地用于多種污染物的去除，包括MO[26,99]、RhB[27,100]、亞甲基藍(lán)（MB）[101,102]、酚類化合物[103,104]等有機(jī)污染物，甲醛、NO等有毒氣體[105,106]，以及Cr(VI)和砷（As）等重金屬離子[107]。除此之外，g-C3N4還具有優(yōu)異的光催化抗菌性能[28]和抗病毒活性[47]。Zhao等[108]研究表明，單原子層g-C3N4能夠使E.coli細(xì)胞完全失活。Huang等[2

5.2.2半導(dǎo)體復(fù)合對(duì)于大多數(shù)單相光催化劑而言，光生電荷復(fù)合仍然是一個(gè)限制因素。半導(dǎo)體/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的構(gòu)建是通過促進(jìn)光生載流子分離來增強(qiáng)半導(dǎo)體光催化性能的有效方法。g-C3N4基異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，兩個(gè)半導(dǎo)體單元間的接觸有利于通過異質(zhì)結(jié)界面進(jìn)行空間電荷再分布，另外在界面處可能會(huì)發(fā)生能帶彎曲進(jìn)而形成內(nèi)建電常因此，可以大大提高g-C3N4的光生e-h+對(duì)分離效率，提升光吸收能力，優(yōu)化能帶位置，增強(qiáng)表面反應(yīng)活性。根據(jù)電荷轉(zhuǎn)移機(jī)制，現(xiàn)有研究中經(jīng)常報(bào)道的g-C3N4基異質(zhì)結(jié)主要可分為兩類：II型異質(zhì)結(jié)體系和Z型異質(zhì)結(jié)體系[126]。圖1-3（a）傳統(tǒng)II型異質(zhì)結(jié)；（b）Z型異質(zhì)結(jié)Fig.1-3(a)TraditionaltypeIIheterojunction;(b)Z-schemeheterojunction如圖1-3a所示，構(gòu)成II型異質(zhì)結(jié)的兩個(gè)半導(dǎo)體VB和CB的位置是交錯(cuò)的。兩個(gè)半導(dǎo)體被光照激發(fā)時(shí)，光生e-從半導(dǎo)體S1的CB遷移至半導(dǎo)體S2的CB，h+從半導(dǎo)體S2的VB遷移至半導(dǎo)體S1的VB，從而使光生e和h+分別富集在兩個(gè)半導(dǎo)體中。若僅有一個(gè)半導(dǎo)體被激發(fā)，另一個(gè)半導(dǎo)體則充當(dāng)e/h+受體。異質(zhì)結(jié)的構(gòu)建實(shí)現(xiàn)了光生載流子的空間分離，從而抑制了e-h+對(duì)的復(fù)合。Pan等[127]通過自組裝制備了BiPO4@g-C3N4核殼型II型異質(zhì)結(jié)，復(fù)合材料表現(xiàn)出更好的光催化降解MB的性能。但是，由于光生e和h+分別移向較低的CB和VB上，因此從熱力學(xué)的角度分析，II型異質(zhì)結(jié)中h+和e的氧化/還原能力減弱。Z型異質(zhì)結(jié)電荷轉(zhuǎn)移方案的提出，解決了上述問題[128]。Z型異質(zhì)結(jié)中，半導(dǎo)體S2的CB上的光生e可以與半導(dǎo)體S1的VB上的光生h+結(jié)合（圖1-3b），從而使e和h+分別富集在CB更負(fù)的半導(dǎo)體S1以及VB更正的半導(dǎo)體S2上，既實(shí)現(xiàn)了光生載流子分離和遷移效率的提升，同時(shí)使體系具有更高的氧化還原能力[129]。在研究工作中，闡明異質(zhì)結(jié)構(gòu)在光催化過程中的實(shí)際電荷轉(zhuǎn)移機(jī)制?

【參考文獻(xiàn)】：
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碩士論文
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本文編號(hào)：3645696