双金属掺杂介孔g-C3N4材料的合成及光催化性能研究

作     者：吴万宝 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：许宪祝

授予年度：2018年

学科分类：07[理学] 081705[工学-工业催化] 070304[理学-物理化学(含∶化学物理)] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0703[理学-化学] 

主      题：石墨相氮化碳 双金属掺杂 介孔 光催化 产氢 

摘      要：21世纪以来,人口的迅速增长和社会工业化程度日趋完善,使人类面临着能源紧张和环境恶化的问题,因此开发新型的可持续能源和绿色能源系统具有重要意义。太阳能作为一种清洁无污染、储存量无穷大且可持续的能源,其充分的利用是解决目前的能源危机和环境污染的理想途径。通过光催化剂进行的太阳能转化是一种最具有潜力的光能转化方式之一。当前,光催化剂g-CN因易于合成,原料储量丰富,物理化学性质稳定,还有能对可见光响应的禁带宽度等特性,引起了研究者的广泛关注。g-CN由于太阳光吸收不足,低表面积和光生电子空穴对的快速复合导致较差的催化活性,而掺杂作为一种简单又方便的改性方法,可以调节g-CN的电子结构、改变禁带宽度、引入活性位点和提高光生载流子的分离,是一种有效提高催化活性的策略。本论文利用氯化钴为钴源合成不同钴含量的钴掺杂g-CN,通过一系列表征对结构和形貌进行分析,并通过在可见光下的RhB降解率和产氢性能来评估其催化活性,催化速率分别是纯g-CN的7.0和6.3倍。原因可以归因于降低的能带间隙和更负的导带电位,使得钴掺杂g-CN的可见光吸收范围扩大和还原性增强。再以MoS纳米片为钼源,通过无模板一锅法合成高比表面积的钼掺杂介孔g-CN,介孔孔道的来源是在焙烧过程中Mo物种会促进g-CN的分解,产生的气体起到了气泡模板作用。通过降解RhB和可见光催化产氢来评估钼掺杂介孔g-CN的催化性能,催化速率分别是纯g-CN的3.4和6.8倍。并确定最佳的合成条件,Mo掺杂量为2 mg MoS。钼掺杂介孔g-CN的催化性能明显高于纯g-CN,原因可以归因于大的比表面积和介孔孔道,可以提供更多的反应场所和提高光生电子空穴对的分离。在Co、Mo单掺杂g-CN的基础上,利用无模板一锅法合成具有高比表面积的钴钼共掺杂介孔g-CN,同时整合钴掺杂和钼掺杂各自的优点,进一步提高光催化活性,降解RhB和产氢的催化速率分别是纯g-CN的10.1和8.6倍。由于钴钼之间的协同效应,共掺杂的g-CN具有更大的比表面积、更丰富的介孔结构、更多的活性位点、更大的可见光吸收范围以及更强的还原性,因此光催化活性得到了进一步提高。同时,对光催化降解RhB的活性物种进行捕获实验,探讨可能的光催化降解机理。此外,通过时域有限差分法(FDTD)仿真来研究纳米孔结构对催化剂在可见光吸收能力上的影响,并建立起光吸收与催化性能之间的关系。