發(fā)布時間：2017-09-01 05:01

  本文關鍵詞：g-C_3N_4復合光催化材料的設計合成及其光催化性能研究

  更多相關文章： 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】：光催化技術的核心是高效光催化材料的設計與合成。氮化碳(g-C3N4)材料具有類石墨相結構,由于廉價、易得、獨特的能帶結構和良好的熱學穩(wěn)定性,被廣泛應用于光解水制氫、光催化降解環(huán)境污染物和光催化還原CO2。本論文為進一步拓展g-C3N4可見光響應型復合光催化材料在環(huán)境污染物控制領域的應用,研制了五種高效、長效且具有可見光響應活性的AgBr/g-C3N4、 g-C3N4/Ag3PO4、g-C3N4/Ag3VO4、g-C3N4/Bi2WO6和g-C3N4/BiOI復合光催化材料,通過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)等多種表征方法對復合材料的微觀結構、形貌、光學性質等物理化學性質進行深入細致的分析,并考察復合材料在可見光照射下光催化降解環(huán)境污染物的性能,深入研究復合材料自身結構和光催化活性之間的構效關系,同時探討了不同復合材料光催化的本質機理。首先運用水浴法合成了AgBr/g-C3N4可見光驅動型光催化材料。采用XRD、TEM、XPS、DRS、PL、FT-IR、Raman和表面積分析儀對合成的復合材料進行了表征分析。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,并形成了物理異質結結構。通過光催化降解甲基橙實驗,考察AgBr/g-C3N4復合材料的光催化活性,研究結果表明AgBr/g-C3N4復合材料表現出比單體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復合材料的光電流顯著增強,比單體g-C3N4提升了21倍。AgBr/g-C3N4復合材料光催化性能增強,其主要原因是g-C3N4和AgBr之間的相互耦合作用。同時通過實驗分析了AgBr/g-C3N4復合材料光催化機理和其光催化動力學特性。其次采用水熱法合成了g-C3N4,并進一步采用沉淀法合成g-C3N4/Ag3PO4復合光催化材料。通過XPS、XRD、DRS、FT-IR、TEM和EDS等表征方法表征g-C3N4/Ag3PO4的結構、形貌、光學性質等。研究結果表明,Ag3PO4以球型顆粒的形態(tài)均勻分布在g-C3N4的表面,并且在復合材料的接觸界面形成物理異質結結構。通過光催化降解目標污染物亞甲基藍(MB)的實驗表明,g-C3N4/Ag3PO4 (2 wt %)呈現出最高的光催化活性,其光電流的強度是本體Ag3PO4的2倍。同時Ag3PO4復合材料還能降解無色污染物環(huán)丙沙星(CIP),呈現良好的光催化降解性能。通過光催化機理研究發(fā)現,在光催化降解MB的過程中,空穴是反應體系的主要活性物種；g-C3N4的復合不僅能夠提升Ag3PO4的光催化活性,同時還能夠增強Ag3P04的穩(wěn)定性。再次通過共沉淀法合成了g-C3N4/Ag3VO4可見光驅動型復合光催化材料。并通過FT-IR、XRD、XPS、TEM以及DRS等多種表征方法對樣品進行了分析研究。在可見光照射下,以MB和RhB為模型化合物,考察g-C3N4/Ag3VO4復合材料的光催化性能。研究發(fā)現,g-C3N4/Ag3VO4復合材料的光催化性能明顯高于單體g-C3N4和Ag3V04材料。光催化降解有機污染物動力學研究發(fā)現,經g-C3N4改性后,Ag3V04復合光催化材料降解污染物速率明顯提升。當g-C3N4含量為0、2.5 wt%、5 wt%和7.5wt%時,相應的速率常數分別為0.605min-1、1.718 min-1、10.071min-1和0.7013 min-1。當g-C3N4含量為5wt%時,光催化降解速率常數達到最高,為10.071 min-1,是單體Ag3VO4的16.6倍。光電流分析發(fā)現,g-C3N4/Ag3VO4復合光催化材料的電荷轉移能力與單體Ag3V04相比顯著提升。自由基捕獲實驗研究發(fā)現,空穴是主要的活性氧化物種。構效關系研究發(fā)現,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。然后又通過浸漬法制備了不同g-C3N4比例的g-C3N4Bi2WO6可見光驅動型復合光催化材料。并通過IR、HRTEM、TG、XRD、TEM、XPS、DRS等方法對復合光催化材料進行表征分析。研究結果顯示,g-C3N4的引入并未改變Bi2WO6的晶型結構。DRS研究結果顯示g-C3N4/Bi2WO6復合材料的光吸收范圍出現紅移現象。SEM及TEM表征發(fā)現g-C3N4與Bi2W06之間形成了物理異質結。g-C3N4/Bi2WO6可見光驅動復合材料中的異質結結構的存在促進了光生電子-空穴的有效分離,極大的抑制了電子-空穴的復合。當g-C3N4復合比例達到3wt%時,復合材料的光催化活性最高。研究發(fā)現,復合材料異質結結構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復合光催化材料。運用多種技術研究了復合材料的結構、形態(tài)和光催化性能。在反應過程中,離子液體不僅起到溶劑、反應前驅物、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的納米異質結結構。并運用三種不同類型污染物染料MB、RhB、甲基橙(MO)作為模型污染物評估g-C3N4/BiOI復合材料的光催化活性,結果顯示g-C3N4/BiOI可見光驅動復合光催化材料表現出比純BiOI更高的光催化活性。同時,通過無色內分泌干擾物雙酚A(BP A)和4-氯酚(4-CP)進一步評估g-C3N4/BiOI復合材料的光催化活性,以排除反應體系中染料敏化作用。在光催化降解無色污染物研究中,g-C3N4/BiOI復合材料也表現出比純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。光催化機理研究發(fā)現,g-C3N4覆蓋于BiOI微球表面形成物理異質結有助于改善電子-空穴的分離,從而增強光催化活性。
【關鍵詞】：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
【學位授予單位】：江蘇大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：O643.36
【目錄】：

• 摘要6-9
• Abstract9-16
• 第一章 前言16-45
• 1.1 光催化研究現狀及應用領域16-18
• 1.1.1 太陽能光解水制氫16-17
• 1.1.2 環(huán)境光催化轉化污染物17-18
• 1.1.3 太陽能光催化還原CO_218
• 1.2 半導體光催化活性影響因素18-21
• 1.2.1 晶體結構18-19
• 1.2.2 形貌結構19-20
• 1.2.3 能級結構20
• 1.2.4 光照強度的影響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 半導體復合23-24
• 1.3.3 金屬沉積24-25
• 1.3.4 染料敏化25
• 1.4 新型可見光響應光催化劑研究現狀25-35
• 1.4.1 Bi系光催化材料的制備及其應用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 石墨型氮化碳的結構和制備35-37
• 1.5.3 石墨型氮化碳復合光催化材料的制備及其應用37-43
• 1.6 本論文研究的主要內容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)境有機污染物研究45-65
• 2.1 引言45-46
• 2.2 實驗部分46-48
• 2.2.1 儀器設備及試劑46-47
• 2.2.2 光催化劑的制備47
• 2.2.3 光催化活性實驗47-48
• 2.3 結果與討論48-64
• 2.3.1 AgBr/g-C_3N_4復合材料XRD分析48
• 2.3.2 AgBr/g-C_3N_4復合材料SEM-EDS分析48-51
• 2.3.3 AgBr/g-C_3N_4復合材料TEM分析51-52
• 2.3.4 AgBr/g-C_3N_4復合材料XPS分析52-54
• 2.3.5 AgBr/g-C_3N_4復合材料FT-IR分析54-55
• 2.3.6 AgBr/g-C_3N_4復合材料Raman分析55
• 2.3.7 AgBr/g-C_3N_4復合材料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 動力學分析59-60
• 2.3.10 光催化材料結構與性能之間的構效關系分析60-61
• 2.3.11 光催化機理分析61-64
• 2.4 本章小結64-65
• 第三章 g-C_3N_4/Ag_3PO_4復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 實驗部分66-67
• 3.2.1 儀器設備及試劑66
• 3.2.2 光催化劑的制備66-67
• 3.2.3 光催化活性實驗67
• 3.3 結果與討論67-76
• 3.3.1 g-C_3N_4/Ag_3PO_4復合材料XRD分析67-68
• 3.3.2 g-C_3N_4/Ag_3PO_4復合材料XPS分析68-69
• 3.3.3 g-C_3N_4/Ag_3PO_4復合材料FT-IR分析69-70
• 3.3.4 g-C_3N_4/Ag_3PO_4復合材料TEM分析70-71
• 3.3.5 g-C_3N_4/Ag_3PO_4復合材料DRS分析71-72
• 3.3.6 光催化活性研究72-75
• 3.3.7 光催化降解機理分析75-76
• 3.4 本章小結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 實驗部分78-80
• 4.2.1 儀器設備及試劑78-79
• 4.2.2 光催化材料的制備79
• 4.2.3 光催化性能測試79-80
• 4.3 結果與討論80-96
• 4.3.1 g-C_3N_4/Ag_3VO_4復合材料XRD分析80-81
• 4.3.2 g-C_3N_4/Ag_3VO_4復合材料FT-IR分析81-82
• 4.3.3 g-C_3N_4/Ag_3VO_4復合材料TEM和EDS分析82-84
• 4.3.4 g-C_3N_4/Ag_3VO_4復合材料XPS分析84-86
• 4.3.5 g-C_3N_4/Ag_3VO_4復合材料DRS分析86
• 4.3.6 光催化活性研究86-89
• 4.3.7 光催化降解動力學研究89-91
• 4.3.8 光電流和電化學阻抗91-93
• 4.3.9 g-C_3N_4/Ag_3VO_4復合材料穩(wěn)定性分析93-94
• 4.3.10 光催化機理分析94-96
• 4.4 本章小結96-97
• 第五章 g-C_3N_4/Bi_2WO_6復合材料的構筑及其光催化降解有機污染物研究97-109
• 5.1 引言97
• 5.2 實驗部分97-99
• 5.2.1 儀器設備及試劑97-98
• 5.2.2 光催化材料的制備98-99
• 5.2.3 光催化性能測試99
• 5.3 結果與討論99-108
• 5.3.1 g-C_3N_4/Bi_2WO_6復合材料XRD分析99-100
• 5.3.2 g-C_3N_4/Bi_2WO_6復合材料XPS分析100-102
• 5.3.3 g-C_3N_4/Bi_2WO_6復合材料SEM及TEM分析102-103
• 5.3.4 g-C_3N_4/Bi_2WO_6復合材料FT-IR分析103-104
• 5.3.5 g-C_3N_4/Bi_2WO_6復合材料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 光催化機理分析107-108
• 5.4 本章小結108-109
• 第六章 球狀g-C_3N_4/BiOI復合材料的制備及其可見光光催化降解污染物研究109-127
• 6.1 引言109-110
• 6.2 實驗部分110-112
• 6.2.1 儀器設備及試劑110-111
• 6.2.2 光催化材料的制備111
• 6.2.3 光催化降解實驗111-112
• 6.2.4 高效液相分析112
• 6.2.6 光電化學測量112
• 6.3 結果和討論112-126
• 6.3.1 光催化活性分析112-116
• 6.3.2 g-C_3N_4/BiOI復合材料TG及XRD分析116-117
• 6.3.3 g-C_3N_4/BiOI復合材料FT-IR分析117-118
• 6.3.4 g-C_3N_4/BiOI復合材料XPS分析118-119
• 6.3.5 g-C_3N_4/BiOI復合材料SEM、TEM和EDS分析119-122
• 6.3.6 g-C_3N_4/BiOI復合材料氮氣吸附脫附分析122
• 6.3.7 g-C_3N_4/BiOI復合材料DRS分析122-123
• 6.3.8 自由基捕獲實驗123-124
• 6.3.9 g-C_3N_4/BiOI復合材料PL光譜分析124
• 6.3.10 光電化學分析124-125
• 6.3.11 光催化機制研究125-126
• 6.4 本章小結126-127
• 第七章 結論與展望127-129
• 7.1 結論127-128
• 7.2 論文主要創(chuàng)新點128
• 7.3 展望128-129
• 參考文獻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】

中國期刊全文數據庫 前1條

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

，

本文編號：770060