石墨相氮化碳基光催化材料的性能調控及第一性原理研究
發(fā)布時間:2021-01-31 22:32
傳統(tǒng)的經濟發(fā)展模式,一方面推進了現代社會的高速發(fā)展和工業(yè)化水平,給人類生活帶來了極大便利,而另一方面也加劇了人與自然之間的矛盾,導致了能源危機與環(huán)境污染兩個巨大的全球性挑戰(zhàn)。目前深入推進的新型可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略,迫切呼喚可再生能源技術的支撐。其中以太陽能為能量來源的光催化技術正在成為理想的能源產出和環(huán)境治理的新方案,也是國際上的熱點研究方向。該技術已經廣泛應用于光分解水產H2、降解污染物以及殺菌消毒等方向,具有經濟、安全和環(huán)保等獨特優(yōu)勢。但到目前為止,具有光催化活性的材料對太陽能利用率低這一限制性因素仍然沒有得到徹底的解決。因此,發(fā)展新型的具有高效可見光催化效率和低成本的光催化劑是現階段光催化研究中的關鍵步驟。有機聚合物半導體石墨相氮化碳(g-C3N4),因其具有獨特的二維層狀結構、高穩(wěn)定性和可見光區(qū)響應等特性,是目前最受關注的光催化劑之一。然而,純g-C3N4也存在光吸收范圍窄,光生載流子復合率高、遷移率低等缺點,從而限制了其在光催化領域的應用范圍。本文針對g-C3N4...
【文章來源】:西北大學陜西省 211工程院校
【文章頁數】:131 頁
【學位級別】:博士
【部分圖文】:
半導體表面的光催化原理示意圖[3]
第一章緒論3(OH、2O以及H2O2等反應自由基)的方式與吸附物發(fā)生氧化還原反應,完成光降解污染物、光分解水制H2和CO2還原等過程。圖1.1半導體表面的光催化原理示意圖[3]。1.2.2光催化應用概述(1)光催化降解污染物。據研究報道,光催化技術可降解廢水中的有機染料、抗生素、重金屬離子和苯系物等各類有毒污染物[4-7],在投入合適的光催化劑之后,經過太陽光或者紫外光照射被氧化或還原為無毒的可降解化合物。圖1.2g-C3N4-Mn體系對Cr(Ⅵ)和RhB混合溶液的循環(huán)降解曲線[8]。2017年,Wang等人利用取代摻雜法成功制備了Mn摻雜g-C3N4化合物(g-C3N4-
第一章緒論5H2和O2的過程,是儲存太陽能和綠色生產H2最有效的方法之一[10-15]。光解水反應可以分解為兩個“半反應”過程,即析氫反應(HER,反應(1.1))和析氧反應(OER,反應(1.2))兩個過程。反應過程(1.3)為全解水反應,并標注了吉布斯自由能變化(G=237.2KJmol-1)和氧化還原電勢差(E=1.23eV)。由于G是一個正值,即水分解反應為吸熱反應,其中OER過程提供了HER過程所需要的質子和自由電子[10,16]。+()22H+2eHg→(1.1)()()+221HOlOg+2He22→+(1.2)()()222(g1HOlO2→)+Hg(1.3)G=237.2KJmol-1E=1.23eV圖1.4常見半導體光催化劑的能帶邊緣電位和水的氧化還原電位[3]。對于光解水制H2的過程,光催化劑的能帶邊緣電位(band-edgepotential)與H2O氧化還原電位(redoxpotential)之間的匹配十分重要。從光催化動力學角度分析,半導體CB邊緣必須高于H+的還原電位(-0.41Vvs.NHE,pH=7),而VB邊緣必須低于H2O的氧化電位(0.82Vvs.NHE,pH=7)。因此在全解水反應過程中,半導體的禁帶寬度至少為1.23eV。而從光催化熱力學角度分析,反應的過程伴有不可避免的熱損耗,需要額外的過電勢驅動HER和OER進程。所以在全解水反應的實際應用中,半導體材料的禁帶寬度通常要大于1.5eV[14]。此外,當半導體的能帶邊緣電位
【參考文獻】:
期刊論文
[1]堿金屬修飾g-C3N4的能帶結構調控與載流子遷移過程[J]. 祝林,馬新國,劉娜,徐國旺,黃楚云. 物理化學學報. 2016(10)
博士論文
[1]石墨相氮化碳的制備、表征及其光催化性能研究[D]. 陳秀芳.福州大學 2011
本文編號:3011692
【文章來源】:西北大學陜西省 211工程院校
【文章頁數】:131 頁
【學位級別】:博士
【部分圖文】:
半導體表面的光催化原理示意圖[3]
第一章緒論3(OH、2O以及H2O2等反應自由基)的方式與吸附物發(fā)生氧化還原反應,完成光降解污染物、光分解水制H2和CO2還原等過程。圖1.1半導體表面的光催化原理示意圖[3]。1.2.2光催化應用概述(1)光催化降解污染物。據研究報道,光催化技術可降解廢水中的有機染料、抗生素、重金屬離子和苯系物等各類有毒污染物[4-7],在投入合適的光催化劑之后,經過太陽光或者紫外光照射被氧化或還原為無毒的可降解化合物。圖1.2g-C3N4-Mn體系對Cr(Ⅵ)和RhB混合溶液的循環(huán)降解曲線[8]。2017年,Wang等人利用取代摻雜法成功制備了Mn摻雜g-C3N4化合物(g-C3N4-
第一章緒論5H2和O2的過程,是儲存太陽能和綠色生產H2最有效的方法之一[10-15]。光解水反應可以分解為兩個“半反應”過程,即析氫反應(HER,反應(1.1))和析氧反應(OER,反應(1.2))兩個過程。反應過程(1.3)為全解水反應,并標注了吉布斯自由能變化(G=237.2KJmol-1)和氧化還原電勢差(E=1.23eV)。由于G是一個正值,即水分解反應為吸熱反應,其中OER過程提供了HER過程所需要的質子和自由電子[10,16]。+()22H+2eHg→(1.1)()()+221HOlOg+2He22→+(1.2)()()222(g1HOlO2→)+Hg(1.3)G=237.2KJmol-1E=1.23eV圖1.4常見半導體光催化劑的能帶邊緣電位和水的氧化還原電位[3]。對于光解水制H2的過程,光催化劑的能帶邊緣電位(band-edgepotential)與H2O氧化還原電位(redoxpotential)之間的匹配十分重要。從光催化動力學角度分析,半導體CB邊緣必須高于H+的還原電位(-0.41Vvs.NHE,pH=7),而VB邊緣必須低于H2O的氧化電位(0.82Vvs.NHE,pH=7)。因此在全解水反應過程中,半導體的禁帶寬度至少為1.23eV。而從光催化熱力學角度分析,反應的過程伴有不可避免的熱損耗,需要額外的過電勢驅動HER和OER進程。所以在全解水反應的實際應用中,半導體材料的禁帶寬度通常要大于1.5eV[14]。此外,當半導體的能帶邊緣電位
【參考文獻】:
期刊論文
[1]堿金屬修飾g-C3N4的能帶結構調控與載流子遷移過程[J]. 祝林,馬新國,劉娜,徐國旺,黃楚云. 物理化學學報. 2016(10)
博士論文
[1]石墨相氮化碳的制備、表征及其光催化性能研究[D]. 陳秀芳.福州大學 2011
本文編號:3011692
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