環(huán)境污染和能源危機(jī)嚴(yán)重制約著生態(tài)文明新中國的建設(shè)步伐。半導(dǎo)體光催化劑作為一個(gè)太陽能轉(zhuǎn)化平臺(tái),在解決能源和環(huán)境危機(jī)方面具有極大的應(yīng)用前景。在廣大的半導(dǎo)體家族成員中,TiO2和g-C3N4分別作為無機(jī)和有機(jī)共軛半導(dǎo)體的代表被廣泛研究。兩種半導(dǎo)體都具有著價(jià)格低廉、物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、安全無毒等優(yōu)勢。然而它們也都具有各自的劣勢,如TiO2光譜響應(yīng)窄、還原能力弱;g-C3N4比表面積小、量子效率低等。因此,形貌構(gòu)建、元素(離子)摻雜、表面C雜化、貴金屬沉積、異質(zhì)結(jié)構(gòu)建等策略被用來提高TiO2和g-C3N4的光譜響應(yīng)范圍、提高量子效率。電鍍、造紙、皮革廢水中的重金屬和有機(jī)污染物嚴(yán)重威脅著人體安全和生態(tài)穩(wěn)定,光催化氧化還原技術(shù)已被廣泛的應(yīng)用到這兩類污染物去除的研究中。光催化氧化有機(jī)污染物和光催化氧化還原重金屬離子的研究與機(jī)理認(rèn)識(shí)已取得一定的成果。然而自然界的廢水成分復(fù)雜,光催化應(yīng)用于實(shí)際廢水的治理還難以實(shí)現(xiàn)。因此,探究光催化劑在多元污染物體系中的應(yīng)用和作用機(jī)理具有極其重要的意義。本文將通過形貌構(gòu)建、半導(dǎo)體耦合、表面碳雜化和離子摻雜來提高TiO2和g-C3N4的光催化活性。然后將制備的催化劑應(yīng)用于多元污染物體系并探索其光催化機(jī)理。具體研究如下:1、高活性的多孔g-C3N4(pg-C3N4)通過鹽酸(HCl)和乙二醇(EG)處理前驅(qū)體三聚氰胺制備出來。所制備的pg-C3N4被應(yīng)用于對(duì)氯苯酚/六價(jià)鉻[4-CP/Cr(Ⅵ)]的復(fù)合污染物體系中,并分別探索在酸性和中性條件下的協(xié)同光催化效應(yīng)。相較于單組分4-CP的光催化氧化和Cr(Ⅵ)的光催化還原,復(fù)合體系中4-CP和Cr(Ⅵ)的降解速率均得到較大提升。這意味著pg-C3N4的電子遷移開啟了4-CP和Cr(Ⅵ)之間的新的氧化還原反應(yīng)。2、以水熱碳球(HCSs)為模板和結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑,通過前驅(qū)體鈦酸四丁酯和三聚氰胺直接混合的策略一步制備原子級(jí)雜化的g-C3N4納米片/TiO2空心球(g-C3N4NSs/TiO2 HMSs)。所制備的g-C3N4 NSs/TiO2 HMSs,實(shí)現(xiàn)了異質(zhì)結(jié)構(gòu)建和形貌控制同步實(shí)現(xiàn),提高了比表面積、減小了傳質(zhì)阻力,有利于光生載流子的遷移。將制備的g-C3N4 NSs/TiO2 HMSs分別應(yīng)用于對(duì)氟苯酚/六價(jià)鉻[(4-FP)/Cr(Ⅵ)]和三價(jià)砷/六價(jià)鉻[As(Ⅲ)/Cr(Ⅵ)]的復(fù)合污染物體系的光催化中。所得結(jié)果令人振奮,相對(duì)單一組分,復(fù)合污染物體系中的4-FP的氧化、Cr(Ⅵ)的還原和As(Ⅲ)的氧化速率均得到了提升,表現(xiàn)出了明顯的復(fù)合體系下的污染物間的協(xié)同光催化效果。這一結(jié)果則源自于g-C3N4 NSs/TiO2 HMSs良好的電子遷移能力,在原有光催化氧化還原的基礎(chǔ)上,促進(jìn)了4-FP/Cr(Ⅵ)和As(Ⅲ)/Cr(Ⅵ)組分間的氧化還原反應(yīng)。3、以廢棄油茶殼為原料,經(jīng)過水熱碳化、高溫退火、堿高溫刻蝕制備高比表面積的多孔碳球(PCMSs)。以制備的PCMSs為摻雜質(zhì)和結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑,通過500℃氬氣保護(hù)和500℃空氣氛圍下二次煅燒,制備PCMSs/C3N4 NSs。以制備的PCMSs/C3N4 NSs光還原Cr(Ⅵ)沉積Cr(Ⅲ),通過200℃固化制備高活性的Cr Ⅲ/PCMSs/C3N4 NSs。將制備的Cr Ⅲ/PCMSs/C3N4 NSs應(yīng)用于4-FP/Cr(Ⅵ)復(fù)合污染物體系的光催化,由于Cr2O72-中的氧原子具有更低的電子云密度,復(fù)合污染物體系的4-FP的氧化、Cr(Ⅵ)的還原活性相較于單一組分在酸性條件下均取得較大提高;在中性條件下的總催化活性也得到較大提高,說明無論酸性還是中性條件下,Cr Ⅲ/PCMSs/C3N4 NSs良好的電子遷移能力均能夠很好的促進(jìn)4-FP/Cr(Ⅵ)之間的氧化還原反應(yīng)。
【學(xué)位單位】：南昌航空大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TQ127.11;O643.36
【部分圖文】：

圖 1-1 常見半導(dǎo)體光催化劑[3]圖 1-2 g-C3N4的結(jié)構(gòu)示意圖[4]光催化技術(shù)在催化產(chǎn)氫[5]、二氧化碳（CO2）光催化還原[6]、催化有機(jī)合成[7]、有機(jī)污染物催化降解[8-9]、重金屬氧化還原[10-11]和表面自清潔上[12]均有很廣的應(yīng)用。現(xiàn)如今，為了充分利用半導(dǎo)體的光生 e-和 h+，人們開始將目光投向光催化劑的多元應(yīng)用。如同時(shí)實(shí)現(xiàn)有機(jī)污染物的降解和產(chǎn)氫[13]、同步進(jìn)行有機(jī)物的降解和重金屬還原等[14]。由于自然界的水體污染多為復(fù)雜多元污染物，因此，多元組分的光催化探索更具實(shí)際意義。1.1 水污染的現(xiàn)狀及治理方法1.1.1 水污染現(xiàn)狀作為人類賴以生存的基礎(chǔ)，水環(huán)境將成為制約人類社會(huì)發(fā)展進(jìn)步的重要因素。

圖 1-1 常見半導(dǎo)體光催化劑[3]圖 1-2 g-C3N4的結(jié)構(gòu)示意圖[4]光催化技術(shù)在催化產(chǎn)氫[5]、二氧化碳（CO2）光催化還原[6]、催化有機(jī)合成[7]、有機(jī)污染物催化降解[8-9]、重金屬氧化還原[10-11]和表面自清潔上[12]均有很廣的應(yīng)用�，F(xiàn)如今，為了充分利用半導(dǎo)體的光生 e-和 h+，人們開始將目光投向光催化劑的多元應(yīng)用。如同時(shí)實(shí)現(xiàn)有機(jī)污染物的降解和產(chǎn)氫[13]、同步進(jìn)行有機(jī)物的降解和重金屬還原等[14]。由于自然界的水體污染多為復(fù)雜多元污染物，因此，多元組分的光催化探索更具實(shí)際意義。1.1 水污染的現(xiàn)狀及治理方法1.1.1 水污染現(xiàn)狀作為人類賴以生存的基礎(chǔ)，水環(huán)境將成為制約人類社會(huì)發(fā)展進(jìn)步的重要因素。

1.3.1 光催化反應(yīng)機(jī)理半導(dǎo)體光催化劑光催化氧化有機(jī)污染物和氧化還原重金屬離子的本質(zhì)均是光生 e-和 h+或活化后的表面高氧化性自由基參與的氧化還原反應(yīng)。其催化機(jī)理如圖 1-3 所示[23]，光催化劑在吸收 h > Eg 的光后，e-從價(jià)帶（HOMO；VB）躍遷至導(dǎo)帶（LUMO；CB），使價(jià)帶分布著 h+導(dǎo)帶充滿 e-。e-將水中的溶解氧及催化劑表面的含氧官能團(tuán)還原為超氧自由基（ O2-）， O2-又可以進(jìn)一步被還原為羥基自由基（ OH）；光生 e-也可以將高價(jià)態(tài)貴金屬還原為低價(jià)態(tài)。價(jià)帶的 h+可以將催化劑表面吸附的水氧化為 OH。而 h+、 O2-和 OH 可以將有機(jī)污染物氧化為 CO2和 H2O[24]，也可以將一些低價(jià)態(tài)金屬轉(zhuǎn)化為高價(jià)態(tài)，如可以將 As(III)氧化為 As(V)[25]。當(dāng)然，不是所有的光生 e-和 h+都能被利用，大部分光生 e-和 h+并沒有順利的遷移到材料的表面，而是在材料內(nèi)部就發(fā)生復(fù)合，并伴隨著熒光和熱能的產(chǎn)生。

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前4條

1 曾振興;李可心;魏凱;戴玉華;顏流水;郭會(huì)琴;羅旭彪;;一種簡單前驅(qū)體預(yù)處理策略制備多孔氮化碳和負(fù)載型多孔氮化碳及其高效可見光光催化活性（英文）[J];催化學(xué)報(bào);2017年03期

2 曾振興;李可心;魏凱;戴玉華;顏流水;郭會(huì)琴;羅旭彪;;原位光還原法制備高分散鉑沉積多孔氮化碳復(fù)合材料及其降解水中4-氟苯酚的高效可見光光催化活性（英文）[J];催化學(xué)報(bào);2017年01期

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本文編號(hào)：2828296