本文關(guān)鍵詞：g-C_3N_4復(fù)合光催化材料的設(shè)計(jì)合成及其光催化性能研究

  更多相關(guān)文章： 光催化 AgBr/g-C_3N_4 g-C_3N_4/Ag_3PO_4 g-C_3N_4/Ag_3VO_4 g-C_3N_4/Bi_2WO_6 g-C_3N_4/BiOI

【摘要】：光催化技術(shù)的核心是高效光催化材料的設(shè)計(jì)與合成。氮化碳(g-C3N4)材料具有類石墨相結(jié)構(gòu),由于廉價(jià)、易得、獨(dú)特的能帶結(jié)構(gòu)和良好的熱學(xué)穩(wěn)定性,被廣泛應(yīng)用于光解水制氫、光催化降解環(huán)境污染物和光催化還原CO2。本論文為進(jìn)一步拓展g-C3N4可見(jiàn)光響應(yīng)型復(fù)合光催化材料在環(huán)境污染物控制領(lǐng)域的應(yīng)用,研制了五種高效、長(zhǎng)效且具有可見(jiàn)光響應(yīng)活性的AgBr/g-C3N4、 g-C3N4/Ag3PO4、g-C3N4/Ag3VO4、g-C3N4/Bi2WO6和g-C3N4/BiOI復(fù)合光催化材料,通過(guò)X射線衍射儀(XRD)、高分辨透射電子顯微鏡(HRTEM)、透射電子顯微鏡(TEM)、掃描電鏡(SEM)、X射線光電子能譜(XPS)、紫外可見(jiàn)漫反射光譜(DRS)、傅里葉紅外光譜(FT-IR)、熒光光譜(PL)等多種表征方法對(duì)復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)、形貌、光學(xué)性質(zhì)等物理化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行深入細(xì)致的分析,并考察復(fù)合材料在可見(jiàn)光照射下光催化降解環(huán)境污染物的性能,深入研究復(fù)合材料自身結(jié)構(gòu)和光催化活性之間的構(gòu)效關(guān)系,同時(shí)探討了不同復(fù)合材料光催化的本質(zhì)機(jī)理。首先運(yùn)用水浴法合成了AgBr/g-C3N4可見(jiàn)光驅(qū)動(dòng)型光催化材料。采用XRD、TEM、XPS、DRS、PL、FT-IR、Raman和表面積分析儀對(duì)合成的復(fù)合材料進(jìn)行了表征分析。XRD、EDS、TEM、FT-IR、Raman和XPS分析表明,AgBr納米顆粒均勻分布于g-C3N4表面上,并形成了物理異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。通過(guò)光催化降解甲基橙實(shí)驗(yàn),考察AgBr/g-C3N4復(fù)合材料的光催化活性,研究結(jié)果表明AgBr/g-C3N4復(fù)合材料表現(xiàn)出比單體g-C3N4和AgBr納米顆粒顯著提高的光催化性能。光電研究表明,引入AgBr納米顆粒后,AgBr/g-C3N4復(fù)合材料的光電流顯著增強(qiáng),比單體g-C3N4提升了21倍。AgBr/g-C3N4復(fù)合材料光催化性能增強(qiáng),其主要原因是g-C3N4和AgBr之間的相互耦合作用。同時(shí)通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析了AgBr/g-C3N4復(fù)合材料光催化機(jī)理和其光催化動(dòng)力學(xué)特性。其次采用水熱法合成了g-C3N4,并進(jìn)一步采用沉淀法合成g-C3N4/Ag3PO4復(fù)合光催化材料。通過(guò)XPS、XRD、DRS、FT-IR、TEM和EDS等表征方法表征g-C3N4/Ag3PO4的結(jié)構(gòu)、形貌、光學(xué)性質(zhì)等。研究結(jié)果表明,Ag3PO4以球型顆粒的形態(tài)均勻分布在g-C3N4的表面,并且在復(fù)合材料的接觸界面形成物理異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。通過(guò)光催化降解目標(biāo)污染物亞甲基藍(lán)(MB)的實(shí)驗(yàn)表明,g-C3N4/Ag3PO4 (2 wt %)呈現(xiàn)出最高的光催化活性,其光電流的強(qiáng)度是本體Ag3PO4的2倍。同時(shí)Ag3PO4復(fù)合材料還能降解無(wú)色污染物環(huán)丙沙星(CIP),呈現(xiàn)良好的光催化降解性能。通過(guò)光催化機(jī)理研究發(fā)現(xiàn),在光催化降解MB的過(guò)程中,空穴是反應(yīng)體系的主要活性物種；g-C3N4的復(fù)合不僅能夠提升Ag3PO4的光催化活性,同時(shí)還能夠增強(qiáng)Ag3P04的穩(wěn)定性。再次通過(guò)共沉淀法合成了g-C3N4/Ag3VO4可見(jiàn)光驅(qū)動(dòng)型復(fù)合光催化材料。并通過(guò)FT-IR、XRD、XPS、TEM以及DRS等多種表征方法對(duì)樣品進(jìn)行了分析研究。在可見(jiàn)光照射下,以MB和RhB為模型化合物,考察g-C3N4/Ag3VO4復(fù)合材料的光催化性能。研究發(fā)現(xiàn),g-C3N4/Ag3VO4復(fù)合材料的光催化性能明顯高于單體g-C3N4和Ag3V04材料。光催化降解有機(jī)污染物動(dòng)力學(xué)研究發(fā)現(xiàn),經(jīng)g-C3N4改性后,Ag3V04復(fù)合光催化材料降解污染物速率明顯提升。當(dāng)g-C3N4含量為0、2.5 wt%、5 wt%和7.5wt%時(shí),相應(yīng)的速率常數(shù)分別為0.605min-1、1.718 min-1、10.071min-1和0.7013 min-1。當(dāng)g-C3N4含量為5wt%時(shí),光催化降解速率常數(shù)達(dá)到最高,為10.071 min-1,是單體Ag3VO4的16.6倍。光電流分析發(fā)現(xiàn),g-C3N4/Ag3VO4復(fù)合光催化材料的電荷轉(zhuǎn)移能力與單體Ag3V04相比顯著提升。自由基捕獲實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),空穴是主要的活性氧化物種。構(gòu)效關(guān)系研究發(fā)現(xiàn),g-C3N4和Ag3VO4相互之間的協(xié)同作用有助于光生電子和空穴的分離,從而有利于光催化性能的提升。然后又通過(guò)浸漬法制備了不同g-C3N4比例的g-C3N4Bi2WO6可見(jiàn)光驅(qū)動(dòng)型復(fù)合光催化材料。并通過(guò)IR、HRTEM、TG、XRD、TEM、XPS、DRS等方法對(duì)復(fù)合光催化材料進(jìn)行表征分析。研究結(jié)果顯示,g-C3N4的引入并未改變Bi2WO6的晶型結(jié)構(gòu)。DRS研究結(jié)果顯示g-C3N4/Bi2WO6復(fù)合材料的光吸收范圍出現(xiàn)紅移現(xiàn)象。SEM及TEM表征發(fā)現(xiàn)g-C3N4與Bi2W06之間形成了物理異質(zhì)結(jié)。g-C3N4/Bi2WO6可見(jiàn)光驅(qū)動(dòng)復(fù)合材料中的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的存在促進(jìn)了光生電子-空穴的有效分離,極大的抑制了電子-空穴的復(fù)合。當(dāng)g-C3N4復(fù)合比例達(dá)到3wt%時(shí),復(fù)合材料的光催化活性最高。研究發(fā)現(xiàn),復(fù)合材料異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的存在有助于光生電子和空穴的分離,從而有助于光催化活性的提高。最后在離子液體作用下,采用EG輔助溶劑熱法合成了g-C3N4/BiOI復(fù)合光催化材料。運(yùn)用多種技術(shù)研究了復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)、形態(tài)和光催化性能。在反應(yīng)過(guò)程中,離子液體不僅起到溶劑、反應(yīng)前驅(qū)物、模板劑和分散劑作用,能夠很好的分散g-C3N4,使其均勻地分散于球體狀BiOI表面,形成表面均勻附著g-C3N4的納米異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。并運(yùn)用三種不同類型污染物染料MB、RhB、甲基橙(MO)作為模型污染物評(píng)估g-C3N4/BiOI復(fù)合材料的光催化活性,結(jié)果顯示g-C3N4/BiOI可見(jiàn)光驅(qū)動(dòng)復(fù)合光催化材料表現(xiàn)出比純BiOI更高的光催化活性。同時(shí),通過(guò)無(wú)色內(nèi)分泌干擾物雙酚A(BP A)和4-氯酚(4-CP)進(jìn)一步評(píng)估g-C3N4/BiOI復(fù)合材料的光催化活性,以排除反應(yīng)體系中染料敏化作用。在光催化降解無(wú)色污染物研究中,g-C3N4/BiOI復(fù)合材料也表現(xiàn)出比純BiOI高的光催化降解性能,表明g-C3N4/BiOI光催化降解具有廣譜性。光催化機(jī)理研究發(fā)現(xiàn),g-C3N4覆蓋于BiOI微球表面形成物理異質(zhì)結(jié)有助于改善電子-空穴的分離,從而增強(qiáng)光催化活性。
【關(guān)鍵詞】：光催化 AgBr/g-C_3N_4 g-C_3N_4/Ag_3PO_4 g-C_3N_4/Ag_3VO_4 g-C_3N_4/Bi_2WO_6 g-C_3N_4/BiOI
【學(xué)位授予單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：O643.36
【目錄】：

• 摘要6-9
• Abstract9-16
• 第一章 前言16-45
• 1.1 光催化研究現(xiàn)狀及應(yīng)用領(lǐng)域16-18
• 1.1.1 太陽(yáng)能光解水制氫16-17
• 1.1.2 環(huán)境光催化轉(zhuǎn)化污染物17-18
• 1.1.3 太陽(yáng)能光催化還原CO_218
• 1.2 半導(dǎo)體光催化活性影響因素18-21
• 1.2.1 晶體結(jié)構(gòu)18-19
• 1.2.2 形貌結(jié)構(gòu)19-20
• 1.2.3 能級(jí)結(jié)構(gòu)20
• 1.2.4 光照強(qiáng)度的影響20
• 1.2.5 光催化劑加入量的影響20-21
• 1.3 提高半導(dǎo)體光催化活性的有效方法21-25
• 1.3.1 離子摻雜21-23
• 1.3.2 半導(dǎo)體復(fù)合23-24
• 1.3.3 金屬沉積24-25
• 1.3.4 染料敏化25
• 1.4 新型可見(jiàn)光響應(yīng)光催化劑研究現(xiàn)狀25-35
• 1.4.1 Bi系光催化材料的制備及其應(yīng)用25-29
• 1.4.2 Ag系列光催化劑的合成及其在環(huán)境中的應(yīng)用29-33
• 1.4.3 非金屬系列光催化材料33-35
• 1.5 石墨型氮化碳研究現(xiàn)狀35-43
• 1.5.1 石墨型氮化碳的研究背景35
• 1.5.2 石墨型氮化碳的結(jié)構(gòu)和制備35-37
• 1.5.3 石墨型氮化碳復(fù)合光催化材料的制備及其應(yīng)用37-43
• 1.6 本論文研究的主要內(nèi)容43-45
• 第二章 AgBr/g-C_3N_4光催化材料的控制合成及其降解環(huán)境有機(jī)污染物研究45-65
• 2.1 引言45-46
• 2.2 實(shí)驗(yàn)部分46-48
• 2.2.1 儀器設(shè)備及試劑46-47
• 2.2.2 光催化劑的制備47
• 2.2.3 光催化活性實(shí)驗(yàn)47-48
• 2.3 結(jié)果與討論48-64
• 2.3.1 AgBr/g-C_3N_4復(fù)合材料XRD分析48
• 2.3.2 AgBr/g-C_3N_4復(fù)合材料SEM-EDS分析48-51
• 2.3.3 AgBr/g-C_3N_4復(fù)合材料TEM分析51-52
• 2.3.4 AgBr/g-C_3N_4復(fù)合材料XPS分析52-54
• 2.3.5 AgBr/g-C_3N_4復(fù)合材料FT-IR分析54-55
• 2.3.6 AgBr/g-C_3N_4復(fù)合材料Raman分析55
• 2.3.7 AgBr/g-C_3N_4復(fù)合材料DRS分析55-56
• 2.3.8 光催化活性及穩(wěn)定性研究56-59
• 2.3.9 動(dòng)力學(xué)分析59-60
• 2.3.10 光催化材料結(jié)構(gòu)與性能之間的構(gòu)效關(guān)系分析60-61
• 2.3.11 光催化機(jī)理分析61-64
• 2.4 本章小結(jié)64-65
• 第三章 g-C_3N_4/Ag_3PO_4復(fù)合光催化材料的制備及其光催化活性研究65-78
• 3.1 引言65-66
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分66-67
• 3.2.1 儀器設(shè)備及試劑66
• 3.2.2 光催化劑的制備66-67
• 3.2.3 光催化活性實(shí)驗(yàn)67
• 3.3 結(jié)果與討論67-76
• 3.3.1 g-C_3N_4/Ag_3PO_4復(fù)合材料XRD分析67-68
• 3.3.2 g-C_3N_4/Ag_3PO_4復(fù)合材料XPS分析68-69
• 3.3.3 g-C_3N_4/Ag_3PO_4復(fù)合材料FT-IR分析69-70
• 3.3.4 g-C_3N_4/Ag_3PO_4復(fù)合材料TEM分析70-71
• 3.3.5 g-C_3N_4/Ag_3PO_4復(fù)合材料DRS分析71-72
• 3.3.6 光催化活性研究72-75
• 3.3.7 光催化降解機(jī)理分析75-76
• 3.4 本章小結(jié)76-78
• 第四章 g-C_3N_4/Ag_3VO_4光催化劑的合成及其光催化降解性能研究78-97
• 4.1 引言78
• 4.2 實(shí)驗(yàn)部分78-80
• 4.2.1 儀器設(shè)備及試劑78-79
• 4.2.2 光催化材料的制備79
• 4.2.3 光催化性能測(cè)試79-80
• 4.3 結(jié)果與討論80-96
• 4.3.1 g-C_3N_4/Ag_3VO_4復(fù)合材料XRD分析80-81
• 4.3.2 g-C_3N_4/Ag_3VO_4復(fù)合材料FT-IR分析81-82
• 4.3.3 g-C_3N_4/Ag_3VO_4復(fù)合材料TEM和EDS分析82-84
• 4.3.4 g-C_3N_4/Ag_3VO_4復(fù)合材料XPS分析84-86
• 4.3.5 g-C_3N_4/Ag_3VO_4復(fù)合材料DRS分析86
• 4.3.6 光催化活性研究86-89
• 4.3.7 光催化降解動(dòng)力學(xué)研究89-91
• 4.3.8 光電流和電化學(xué)阻抗91-93
• 4.3.9 g-C_3N_4/Ag_3VO_4復(fù)合材料穩(wěn)定性分析93-94
• 4.3.10 光催化機(jī)理分析94-96
• 4.4 本章小結(jié)96-97
• 第五章 g-C_3N_4/Bi_2WO_6復(fù)合材料的構(gòu)筑及其光催化降解有機(jī)污染物研究97-109
• 5.1 引言97
• 5.2 實(shí)驗(yàn)部分97-99
• 5.2.1 儀器設(shè)備及試劑97-98
• 5.2.2 光催化材料的制備98-99
• 5.2.3 光催化性能測(cè)試99
• 5.3 結(jié)果與討論99-108
• 5.3.1 g-C_3N_4/Bi_2WO_6復(fù)合材料XRD分析99-100
• 5.3.2 g-C_3N_4/Bi_2WO_6復(fù)合材料XPS分析100-102
• 5.3.3 g-C_3N_4/Bi_2WO_6復(fù)合材料SEM及TEM分析102-103
• 5.3.4 g-C_3N_4/Bi_2WO_6復(fù)合材料FT-IR分析103-104
• 5.3.5 g-C_3N_4/Bi_2WO_6復(fù)合材料DRS分析104-105
• 5.3.6 光催化活性研究105-106
• 5.3.7 光電流分析106-107
• 5.3.8 光催化機(jī)理分析107-108
• 5.4 本章小結(jié)108-109
• 第六章 球狀g-C_3N_4/BiOI復(fù)合材料的制備及其可見(jiàn)光光催化降解污染物研究109-127
• 6.1 引言109-110
• 6.2 實(shí)驗(yàn)部分110-112
• 6.2.1 儀器設(shè)備及試劑110-111
• 6.2.2 光催化材料的制備111
• 6.2.3 光催化降解實(shí)驗(yàn)111-112
• 6.2.4 高效液相分析112
• 6.2.6 光電化學(xué)測(cè)量112
• 6.3 結(jié)果和討論112-126
• 6.3.1 光催化活性分析112-116
• 6.3.2 g-C_3N_4/BiOI復(fù)合材料TG及XRD分析116-117
• 6.3.3 g-C_3N_4/BiOI復(fù)合材料FT-IR分析117-118
• 6.3.4 g-C_3N_4/BiOI復(fù)合材料XPS分析118-119
• 6.3.5 g-C_3N_4/BiOI復(fù)合材料SEM、TEM和EDS分析119-122
• 6.3.6 g-C_3N_4/BiOI復(fù)合材料氮?dú)馕矫摳椒治?/span>122
• 6.3.7 g-C_3N_4/BiOI復(fù)合材料DRS分析122-123
• 6.3.8 自由基捕獲實(shí)驗(yàn)123-124
• 6.3.9 g-C_3N_4/BiOI復(fù)合材料PL光譜分析124
• 6.3.10 光電化學(xué)分析124-125
• 6.3.11 光催化機(jī)制研究125-126
• 6.4 本章小結(jié)126-127
• 第七章 結(jié)論與展望127-129
• 7.1 結(jié)論127-128
• 7.2 論文主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)128
• 7.3 展望128-129
• 參考文獻(xiàn)129-146
• 博士期間發(fā)表論文及專利清單146-148
• 致謝148

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前1條

1 尚靜;趙鳳偉;朱彤;李佳;;染料敏化TiO_2可見(jiàn)光光催化降解羅丹明B[J];中國(guó)科學(xué):化學(xué);2010年12期

，

本文編號(hào)：770060