發(fā)布時(shí)間：2020-04-01 07:08

【摘要】：能源危機(jī)和環(huán)境污染是人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展中所面臨的兩個(gè)重大戰(zhàn)略問題。只有發(fā)展清潔能源和可再生能源,才可以從根本上解決化石能源如煤、石油、天然氣等的日益枯竭以及在使用過程中帶來的一系列環(huán)境問題。光催化過程能將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能,通過光催化氧化還原反應(yīng)以實(shí)現(xiàn)水的分解,降解、礦化環(huán)境毒素,具有穩(wěn)定、高效、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)。而空穴電子利用率低,激子易失活和太陽(yáng)光利用范圍窄是傳統(tǒng)光催化材料(如TiO_2等材料)的弊病。因此,新型光催化材料的研究與開發(fā)變得迫在眉睫。g-C_3N_4作為一種新型的非金屬可見光催化劑,具有獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)、可見光催化活性、化學(xué)與熱穩(wěn)定性好、無(wú)毒且制備簡(jiǎn)易、成本低廉等特點(diǎn)。但g-C_3N_4的光致電子-空穴對(duì)復(fù)合率較高,比表面積小,導(dǎo)致其光催化活性受到限制,故通過適當(dāng)?shù)姆绞綄?duì)光催化劑進(jìn)行有效改性來提高其光催化活性,開發(fā)可見光響應(yīng)、高效和穩(wěn)定的光催化材料成為目前的研究重點(diǎn)。本論文研究工作中,采用選擇性離子取代法制備了不同陽(yáng)離子摻雜的g-C_3N_4樣品并對(duì)其形貌進(jìn)行了有效調(diào)控,得到了納米棒組成的碳化氮納米管。在此基礎(chǔ)上研究了產(chǎn)物的光催化分解水制氫及光電性能,并對(duì)光催化性能增強(qiáng)的的機(jī)理進(jìn)行了探索。主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論歸納如下:(1)運(yùn)用離子取代法成功合成了陽(yáng)離子(Mn~(2+)、Cu~(2+))摻雜的g-C_3N_4光催化材料。制備出的樣品為大比表面積(266.6761m~2/g、116 m~2/g)、具有豐富介孔的管狀形貌。由于增強(qiáng)的光吸收能力及有效的載流子分離與傳輸效率,產(chǎn)物表現(xiàn)出優(yōu)異的光催化產(chǎn)氫性能。當(dāng)Mn摻雜含量為0.5wt.%時(shí),光催化產(chǎn)氫效率為1685μmolh~(-1)g~(-1),是純氮化碳樣品的4倍;當(dāng)Cu摻雜含量為0.05wt.%時(shí),光催化制氫效率達(dá)到3020μmolh~(-1)g~(-1),是純g-C_3N_4樣品(237μmolh~(-1)g~(-1))的產(chǎn)氫速率的13倍。同時(shí),本文深入分析了離子取代法制備陽(yáng)離子摻雜的氮化碳樣品的取代過程機(jī)理,即過渡金屬與N原子的強(qiáng)離子-偶極子相互作用,使得Cu離子最終摻雜進(jìn)氮孔中。除此之外,通過能帶分析可知,陽(yáng)離子的摻入使得半導(dǎo)體禁帶寬度變窄,電子的傳輸路徑變窄,光的捕獲能力提高,正是由于以上多方面原因,使得陽(yáng)離子摻雜的樣品具有較強(qiáng)的光催化產(chǎn)氫以及光電性能。(2)在陽(yáng)離子摻雜的基礎(chǔ)上,對(duì)這一方法進(jìn)行了推廣,利用選擇性的離子取代過程成功制備了非金屬磷離子(P)摻雜的g-C_3N_4材料。得到的產(chǎn)物同樣表現(xiàn)出介孔管狀結(jié)構(gòu)。本章同時(shí)探索了離子取代法制備磷離子摻雜的類石墨相氮化碳材料的過程機(jī)理,由于P替代了C原子進(jìn)入了g-C_3N_4的框架結(jié)構(gòu),因此在質(zhì)子化處理過程中沒有被H~+取代。同時(shí)該樣品具有較高的光催化產(chǎn)氫效率以及光電流瞬態(tài)響應(yīng)曲線,當(dāng)磷離子在碳化氮中占比0.1wt.%時(shí),光催化制氫速率達(dá)到最大值為4590μmolh~(-1)g~(-1),是g-C_3N_4樣品的產(chǎn)氫速率的16倍,表觀量子效率達(dá)到14.19%,較高的光催化和光電性能可以歸因于拓寬的可見光吸收范圍,納米結(jié)構(gòu)形貌的調(diào)控以及光生激子分離率的提高。
【圖文】：

子通過助催化劑的有效分離與水反應(yīng)生成氫氣；穴在助催化劑的存在下，與水反應(yīng)生成氧氣；分光生載流子復(fù)合[19]。過程可用下述方程式來表示：體： 2h 2e 2h-光催化劑 ： HO H OH2還原反應(yīng)： 2-2e 2h H 2212 h OH H O 應(yīng)： 2212h22222OHnnH O光催化劑 HO 1-1 所示為 g-C3N4的反應(yīng)機(jī)理圖。

-2 g-C3N4空間球棍模型 (藍(lán)色代表氮原子，灰色代表碳原stick model of g-C3N4（blue balls represent nitrogen atoms andcarbon atoms）[1]述問題，人們主要采用了如下方法，如 2009 年，福光沉積鉑相結(jié)合的方法合成了 3%Pt 沉積的多孔棒速率為 85μmol/h，是塊狀 g-C3N4的 5 倍，，產(chǎn)氫穩(wěn)定，如 Zhang 等發(fā)現(xiàn)非金屬 P 離子摻雜進(jìn) g-C3N4結(jié)構(gòu)至 800nm 左右[26]；半導(dǎo)體復(fù)合，如 Liu 等制得的 g料的光催化活性比純 g-C3N4更高[26]；層片剝離，如 g-C3N4納米薄片，比體相 g-C3N4可見光吸收范圍更敏化法等其他方法均能在不同程度上改善 g-C3N4的方法
【學(xué)位授予單位】：北京工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：O643.36;O644.1;TQ116.2

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2610132