本文選題：高能微波法 + 氮化碳　； 參考：《東南大學(xué)》2017年博士論文

【摘要】：半導(dǎo)體光催化劑能夠利用太陽光高效降解有機污染物,在解決環(huán)境污染問題方面表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。在各種不同的半導(dǎo)體光催化劑中,新型的非金屬光催化劑石墨相氮化碳(g-C3N4)由于具有合適的禁帶寬度,優(yōu)異的物理化學(xué)性能、良好的生物相容性和光催化活性等特性,得到了世界廣泛的關(guān)注。本文利用高能微波加熱技術(shù)合成了不同形貌和性能的氮化碳,并采用多種分析測試技術(shù)表征了其結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì);通過降解羅丹明B(RhB)和甲基橙(MO)評價了材料的光催化活性,探索了光催化活性增強機理;另外,對微波合成的二維氮化碳(2D-g-C3N4)納米片的場發(fā)射性能進行了初步的探索研究和評價,并對其場發(fā)射機制進行了相應(yīng)的解析。主要研究內(nèi)容包括:.(1)利用高能微波法,以低成本的三聚氰胺為前驅(qū)體,石墨為微波吸收劑,快速高效地制備了大比表面積的g-C3N4,并對其結(jié)構(gòu)、形貌和光學(xué)性質(zhì)等進行了系統(tǒng)的研究。與馬弗爐合成的g-C3N4(28m2/g、2.70eV)相比,高能微波法合成的g-C3N4比表面積(84～142m2/g)和禁帶寬度(2.72～2.83eV)有明顯地增大。在可見光催化降解RhB和MO實驗中,微波加熱條件下合成的g-C3N4顯示出更優(yōu)異的光催化性能。如微波功率為4.0kW時合成的g-C3N4,對RhB和MO進行可見光催化反應(yīng),40min后的降解率分別達到了 100%和94.2%,準一級動力學(xué)速率常數(shù)分別為0.10333和0.06799min-1。而馬弗爐合成的g-C3N4對RhB和MO進行可見光催化反應(yīng),120min后的降解率分別僅為85.9%和67.4%,準一級動力學(xué)速率常數(shù)分別僅為0.01657和0.00937min-1。微波條件下合成的g-C3N4具有更大的比表面積、更豐富的催化活性位點,有利于光催化活性的改善。(2)將單質(zhì)Fe粉均勻混合到三聚氰胺中,以石墨為微波吸收劑,采用高能微波輻照合成,成功地將Fe元素摻入到g-C3N4中。當(dāng)Fe元素的摻雜量為1.Owt.%時,產(chǎn)物顯示出獨特的透明中空結(jié)構(gòu)。相比于未摻雜的g-C3N4(2.81eV),Fe摻雜量分別為0.5wt.%、1.Owt.%和2.0wt.%時,樣品對應(yīng)的禁帶寬度為2.75、2.71和2.66eV,表明Fe摻雜能夠提高樣品對可見光的吸收范圍。在可見光催化降解實驗中,中空結(jié)構(gòu)的1.0%Fe/g-C3N4展現(xiàn)出了優(yōu)異的光催化性能,30min內(nèi)對RhB和MO的降解率分別達到了 100%和94.1%。(3)采用高能微波法,同樣以三聚氰胺為前驅(qū)體,利用對微波具有更好響應(yīng)的碳纖維取代石墨為微波吸收劑,合成了 2D-g-C3N4納米片,并發(fā)現(xiàn)其厚度隨微波功率的增大而減小。此外,隨著微波功率從4.0kW提高到5.0kW,2D-g-C3N4納米片的比表面積從105m2/g增大到239m2/g,禁帶寬度從2.78eV增大到2.88eV。在可見光催化降解實驗中,微波功率為5.0kW時合成的2D-g-C3N4納米片具有更為優(yōu)異的催化活性,經(jīng)35min的光照后,對RhB和MO的降解率分別為100.0%和93.3%。對2D-g-C3N4納米片的光催化反應(yīng)進行動力學(xué)分析發(fā)現(xiàn),其準一級動力學(xué)速率常數(shù)分別為0.09182和0.07476min-1。光催化活性地提高主要歸功于大比表面積的2D-g-C3N4納米片具有更強的吸附性能、更多的活性位點和更短的載流子遷移距離。經(jīng)4次循環(huán)使用后,2D-g-C3N4納米片仍可降解96.7%的RhB,說明其光催化活性非常穩(wěn)定。(4)場發(fā)射性能測試結(jié)果表明,比表面積為239m2/g,堆疊層數(shù)約為5個原子層,禁帶寬度為2.88eV和大長徑比(片層大小約為8μm,厚度約為1.6nm)的2D-g-C3N4納米片具有極低的開啟電場,約為0.5V/μm,測試范圍內(nèi)最高電流密度為4.5mA/cm2,場增強因子約為2.1×104,顯示出優(yōu)異的場發(fā)射性能。
[Abstract]:Semiconductor photocatalyst can efficiently degrade organic pollutants with solar light and show great potential for application in solving environmental pollution problems. In a variety of Semiconductor Photocatalysts, new non-metallic photocatalyst graphite phase carbon nitride (g-C3N4) has excellent physical and chemical properties because of its suitable band width. Good biocompatibility and photocatalytic activity have been widely paid attention to. In this paper, carbon nitride with different morphologies and properties was synthesized by high energy microwave heating, and its structure and optical properties were characterized by a variety of analysis and testing techniques. The photocatalytic activity of the material was evaluated by degradation of rhodamine B (RhB) and methyl orange (MO). The mechanism of photocatalytic activity enhancement was explored. In addition, the field emission properties of two dimensional carbon nitride (2D-g-C3N4) nanometers synthesized by microwave were preliminarily explored and evaluated. The field emission mechanism was analyzed. The main contents included: (1) using high energy microwave method, the precursor of low cost melamine was used as precursor, The large specific surface area of g-C3N4 is prepared quickly and efficiently by the graphite as a microwave absorbent. The structure, morphology and optical properties of the graphite are systematically studied. Compared with the g-C3N4 (28m2/g, 2.70eV) synthesized by the muffle furnace, the g-C3N4 specific surface area (84 ~ 142m2/g) and the band gap (2.72 to 2.83eV) synthesized by the high energy microwave method are obviously increased. In the experiments of photocatalytic degradation of RhB and MO, the g-C3N4 synthesized under microwave heating showed a better photocatalytic performance. For example, the g-C3N4 synthesized by the microwave power was 4.0kW, and the visible photocatalytic reaction of RhB and MO was observed. The degradation rate of 40min after 40min was 100% and 94.2% respectively, and the quasi first order kinetic rate constants were 0.10333 and 0.06799min-, respectively. 1., the g-C3N4 synthesized by the muffle furnace has visible light catalytic reaction to RhB and MO. The degradation rate after 120min is only 85.9% and 67.4%, and the quasi first order kinetic rate constant is only 0.01657 and 0.00937min-1. microwave has a larger specific surface area and a richer catalytic activity site, which is beneficial to the modification of photocatalytic activity. (2) (2) mixing the elemental Fe powder evenly into melamine, using graphite as a microwave absorber, synthesized by high energy microwave irradiation, and successfully mixing Fe elements into g-C3N4. When the doping amount of Fe element is 1.Owt.%, the product shows a unique transparent hollow structure. Compared to the undoped g-C3N4 (2.81eV), the Fe doping amount is 0.5wt.%, 1.Owt, respectively, 1.Owt. At% and 2.0wt.%, the band gap of the sample is 2.75,2.71 and 2.66eV, indicating that Fe doping can improve the absorption range of the visible light. In the visible photocatalytic degradation experiment, the 1.0%Fe/g-C3N4 of the hollow structure shows excellent photocatalytic performance, and the degradation rate of RhB and MO in 30min is 100% and 94.1%. (3) using high energy, respectively. The microwave method also uses melamine as the precursor and uses carbon fiber instead of graphite as a microwave absorber to synthesize 2D-g-C3N4 nanoscale. It is found that the thickness decreases with the increase of microwave power. In addition, as microwave power increases from 4.0kW to 5.0kW, the specific surface area of 2D-g-C3N4 nanoscale is increased from 105m2/g. To 239m2/g, the width of the band gap from 2.78eV to 2.88eV. in the visible photocatalytic degradation experiment, the 2D-g-C3N4 nanoscale synthesized by the microwave power of 5.0kW has more excellent catalytic activity. After the light of 35min, the degradation rate of RhB and MO is 100% and 93.3%., respectively, to the kinetic analysis of the photocatalytic reaction of 2D-g-C3N4 nanoscale. Now, the quasi first order kinetic rate constants are 0.09182 and 0.07476min-1. photocatalytic activity increases respectively. The 2D-g-C3N4 nanoscale with large specific surface area has stronger adsorption properties, more active sites and shorter carrier migration distances. After 4 cycles, 2D-g-C3N4 nanoscale can still degrade 96.7% RhB. The photocatalytic activity is very stable. (4) the field emission test results show that the specific surface area is 239m2/g, the stack layer is about 5 atomic layers, the band gap is 2.88eV and the large length diameter ratio (about 8 mu m, the thickness is about 1.6nm) has a very low opening electric field, which is about 0.5V/ mu m, and the maximum current density within the test range. For 4.5mA/cm2, the field enhancement factor is about 2.1 x 104, showing excellent field emission performance.
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：O643.36

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本文編號：2064053