化石能源的短缺及其環(huán)境污染是全球關(guān)注的熱點問題。氫能作為一種“零污染、零碳、能量密度高、環(huán)境友好、來源廣”的可持續(xù)清潔能源之一在全球能源分配中扮演著重要角色。光催化技術(shù)由于可以利用自然界中的太陽能作為驅(qū)動力實現(xiàn)光催化分解水制氫和降解有機污染物,所以受到科研工作者的廣泛關(guān)注。因此,為了將氫能作為可再生能源橋梁和高效的去除水中的有機污染物,迫切需要尋找一種廉價高效的光催化劑。近年來,石墨相氮化碳（g-C₃N₄）因具有來源廣、僅由碳和氮兩種元素組成、綠色環(huán)保、廉價易得、熱穩(wěn)定性和抗腐蝕性好、禁帶寬度約為2.7 eV且還原能力強等優(yōu)勢受到了許多科研工作者的青睞。然而,單一的g-C₃N₄在光激發(fā)下,光生電子和空穴位于相同的3,s-三嗪環(huán)中（空穴位于N和電子位于C）,從而導(dǎo)致其光生電子-空穴很容易重新復(fù)合。此外,g-C₃N₄具有小的比表面積和低的太陽能利用率等缺點極大的限制了其在光催化領(lǐng)域的應(yīng)用。因此,通過調(diào)控形貌、引入碳質(zhì)媒介和設(shè)計給體-受體（Donor-Accep... 

【文章來源】：江蘇大學(xué)江蘇省

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【學(xué)位級別】：博士

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能源危機、氫能源優(yōu)勢和水污染危害Fig.1.1Energycrisis,advantagesofhydrogenenergyandhazardsofwaterpollution

江蘇大學(xué)博士學(xué)位論文3圖1.2（a）光催化反應(yīng)的三個基本步驟；（b）光催化產(chǎn)氫和（c）降解有機污染物機理圖[30]Fig.1.2(a)Threebasicstepsofphotocatalyticreaction;Mechanismdiagramof(b)photocatalytichydrogenproductionand(c)degradationoforganicpollutants[30]1.3g-C3N4光催化劑的發(fā)展目前，越來越多的半導(dǎo)體材料被陸續(xù)開發(fā)出來并應(yīng)用于光催化制氫和降解有機污染物，分類方式也多種多樣。根據(jù)光催化半導(dǎo)體化學(xué)成份進(jìn)行分類可分為硫化物（如：Cu2WS4[31,32]、MoS2[33-35]、CdS[36-40]、Ag2S[41,42]、AgIn5S8[43,44]）、氧化物（如：Bi2WO6[45-48]、SnNb2O6[49-52]、SrTiO3[53,54]、TiO2[55-58]、ZnO[59,60]）和氮氧化物（如：TaON[61,62]、LaNbON2[63]、SrNbO2N[64]、CaNbO2N[65]）。然而無論是硫化物、氧化物還是氮氧化物在光催化制氫或者除去有機污染物方面都具有不同的優(yōu)勢和缺點，硫化物即便具有優(yōu)異的光催化活性，但是面臨著容易光腐蝕、穩(wěn)定性差等問題。氧化物雖然具有合適的能帶結(jié)構(gòu)、合成方法簡單但是具有產(chǎn)量低、可見光的利用率低等不足。氮氧化物雖然具有廣泛的光吸收范圍，仍然存在光生載流子分離效率差、氮氧根容易被腐蝕等問題。而理想的光催化劑不僅要具有廣泛的光吸收能力、合適的能帶結(jié)構(gòu)、良好的穩(wěn)定性、簡便的合成方法、無二次污染而且要擁有高效的光催化活性。因此，尋找一種合適的光催化材料是推動光催化制氫快速發(fā)展和解決環(huán)境污染問題的重要途徑。自2009年王心晨教授課題組開創(chuàng)性的研究了聚合物半導(dǎo)體g-C3N4在可見光下進(jìn)行光催化分解水制氫以來，g-C3N4因不含金屬、窄帶隙（2.7eV）、適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)波長（460nm）、合適的能帶結(jié)構(gòu)（導(dǎo)帶約為-1.13eV）、良

氮化碳基光催化劑的可控制備及其性能與機理研究4溶劑）受到了越來越多的關(guān)注[66-73]。首先，g-C3N4的制備方法簡單多樣，可以直接熱解地球上豐富的氮前驅(qū)體，例如三聚氰胺、雙氰胺、氰酰胺、尿素、硫脲、硫氰酸銨等[74,75]，并可以通過化學(xué)處理很容易的進(jìn)行功能化修飾（圖1.3a）。其次，很容易通過各種方法構(gòu)建復(fù)合光催化劑，其組成、尺寸、厚度、孔隙結(jié)構(gòu)、尺寸分布和形貌均可調(diào)節(jié)。因此，通過圖1.3b-c發(fā)現(xiàn)，從2009年以來g-C3N4在光催化和其他領(lǐng)域每年發(fā)表文章數(shù)量逐年增加，且在光催化領(lǐng)域當(dāng)中光催化降解有機污染物和光催化制氫的研究也逐年增多。雖然g-C3N4具有上述的一些優(yōu)勢，然而它在光催化中卻因為載流子復(fù)合率高、導(dǎo)電性低和可見光吸收有限等問題大大的阻礙了它在實際中的應(yīng)用[76-78]。為了進(jìn)一步完善g-C3N4，提高光催化活性，需要對g-C3N4的改性方法進(jìn)行全面的了解。圖1.3（a）不同原料制備g-C3N4的示意圖[75]；（b）g-C3N4基光催化劑自2009年以后文章出版數(shù)量及在光催化領(lǐng)域的文章出版數(shù)量和（c）g-C3N4基光催化劑自2009年以后在光催化各個領(lǐng)域的文章出版數(shù)量Fig.1.3(a)Schematicdiagramofpreparationofg-C3N4fromdifferentrawmaterials[75];(b)Thenumberofarticlespublishedong-C3N4-basedphotocatalyst,thenumberofarticlespublishedinthefieldofphotocatalysisand(c)invariousfieldsofphotocatalysissince20091.4提高g-C3N4光催化劑活性的策略目前，雖然許多科研工作者對g-C3N4在光催化制分解水制氫和降解有機污


本文編號：3423230