二維納米半導(dǎo)體材料,因其具有較大的橫向尺寸和極小的厚度,產(chǎn)生了優(yōu)良的物化性質(zhì),對許多領(lǐng)域的研究具有重要價值。半導(dǎo)體光催化劑本質(zhì)上要受到光吸收劑、助催化劑以及分子/離子物質(zhì)相互作用的影響,而且這些相互作用在很大程度上與半導(dǎo)體催化劑的幾何特征有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)。石墨相氮化碳（g-C₃N₄）是一種層狀化合物,層與層之間靠微弱的范德華力和少量氫鍵相連接,可以通過破壞氫鍵制備少層的納米片結(jié)構(gòu)。因其具有良好的光響應(yīng)特性,巨大的比表面積等在光催化領(lǐng)域中具有重要的研究價值。為研究少層g-C₃N₄在可見光區(qū)光催化技術(shù)中的應(yīng)用,解決其可見光吸收能力不足、電子和空穴復(fù)合率高、電子傳導(dǎo)性差,且存在對少層g-C₃N₄微觀結(jié)構(gòu)和電子轉(zhuǎn)移特性認(rèn)識不足等問題,本文分別利用構(gòu)造異質(zhì)結(jié)和非金屬元素?fù)诫s的改性方法,制備出兩種少層g-C₃N₄基催化劑來改善其可見光催化活性,并利用XRD、BET、FT-IR、PL、TRPL、SEM、TEM、光電流和交流阻抗等表... 

【文章來源】：華南理工大學(xué)廣東省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

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【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

(a)g-C3N4的三嗪結(jié)構(gòu)(b)g-C3N4的三-s-三嗪（七嗪）結(jié)構(gòu)[11]

華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文4前兩個過程主要取決于半導(dǎo)體光催化劑自身固有的性質(zhì)。在滿足導(dǎo)帶與價帶位置與目標(biāo)反應(yīng)的氧化還原電勢相匹配的條件下，禁帶位置越窄越好，以便半導(dǎo)體在更寬的光譜范圍內(nèi)響應(yīng)，吸收更多的太陽能能量產(chǎn)生更多的光生載流子。由于半導(dǎo)體光催化劑受光照激發(fā)而在體相內(nèi)產(chǎn)生的光生載流子的分離、遷移和復(fù)合是競爭過程，光生載流子的復(fù)合過程是限制光催化反應(yīng)效率提升的一個關(guān)鍵因素，因此，抑制光生載流子的復(fù)合，提高其光生載流子的遷移和分離速率是提高半導(dǎo)體光催化劑的光催化效率重要途徑。第三個反應(yīng)過程主要取決于半導(dǎo)體光催化劑材料的表面能態(tài)、結(jié)構(gòu)和吸附特性。半導(dǎo)體光催化劑的表面電荷轉(zhuǎn)移以及表面俘獲亦是影響光生載流子復(fù)合的兩個重要因素，因此，提高半導(dǎo)體表面電荷轉(zhuǎn)移速率以及半導(dǎo)體表面吸附反應(yīng)物質(zhì)俘獲光生載流子的速率能夠有效抑制載流子的復(fù)合，提高半導(dǎo)體光催化劑的催化效率。光催化技術(shù)在不同方面應(yīng)用過程中的催化機(jī)理仍在研究，而且在實際運(yùn)用過程中，仍無法達(dá)到人們對能源需求與環(huán)境改善的要求，其中的關(guān)鍵因素是缺乏活性高，穩(wěn)定性好的高效催化劑[14]。圖1-2光催化劑基本反應(yīng)原理Figure1-2Themechanismofphotocatalyticreaction1.3少層g-C3N4的制備方法近些年來，少層g-C3N4的制備方法得到不斷的發(fā)展與進(jìn)步，一系列原子極或接近原子級厚度的少層g-C3N4材料被合成出來，并展示出獨特的性能[15]。主要有兩種不同的策略，大多數(shù)方法都是通過自上而下地破壞范德華力來得到二維納米片結(jié)構(gòu)如現(xiàn)在常用的液相超聲剝離法、酸堿刻蝕剝離，插層劑法；得益于化學(xué)合成方法的不斷發(fā)展，也

華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文10圖1-3H2O2誘導(dǎo)組裝制備具有多孔結(jié)構(gòu)和O摻雜的g-C3N4(灰色，藍(lán)色和紅色原子分別表示C，N和替換O)Figure1-3g-C3N4withporousstructureandOdopingpreparedbyH2O2inducedassembly(grey,blueandredatomsrepresentC,NandreplacementO)1.4.1.2金屬元素?fù)诫s除非金屬元素?fù)诫s外，金屬元素?fù)诫s如Fe、Cu、Zn、Ni等也被廣泛應(yīng)用于改善g-C3N4的光學(xué)和電子特性[51-57]。在三元N橋接的三嗪環(huán)中存在著一個大的N電子點(如圖1-4)在g-C3N4的平面上。N電子點存在氮的六個孤電子對，是非常理想的金屬離子插入點。因此，g-C3N4能輕易的捕獲金屬陽離子，并通過孤電子吸引金屬陽離子產(chǎn)生強(qiáng)的相互作用[56]。Wang等[58]首次報道將金屬元素Zn2+和Fe2+摻雜入到g-C3N4框架結(jié)構(gòu)中，研究發(fā)現(xiàn)隨著金屬元素?fù)诫s量的增加，g-C3N4對光的吸收出現(xiàn)紅移，明顯增強(qiáng)對可見光的吸收。表征發(fā)現(xiàn)即使Fe元素的摻雜量達(dá)到50%，在XRD中仍然觀察不到其特征峰的出現(xiàn)，證明金屬離子摻雜到N電子點并形成Fe-N鍵。Ding[54]等揭示了無論是Fe3+或者其他過渡金屬陽離子如Ni2+、Cu2+、Co3+和Mn3+等都能插入到g-C3N4框架而不破壞其完整的結(jié)構(gòu)，使光的吸收范圍明顯紅移，抑制電子-空穴對的復(fù)合。除了過渡金屬陽離子，堿金屬離子如K+,Na+和Li+等也能通過插入N電子點的位置實現(xiàn)對g-C3N4的摻雜[59-63]。這些離子的摻雜能有效改善載流子的分離和轉(zhuǎn)移效率，創(chuàng)造載流子在空間上的距離，而且增強(qiáng)光催化劑的還原勢能。


本文編號：3506513