g-C3N4的形貌调控及其光催化性能的研究

作     者：刘明金 

作者单位：武汉理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：余家国

授予年度：2019年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 081704[工学-应用化学] 081705[工学-工业催化] 07[理学] 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：g-C3N4 光催化剂 纳米片 分等级3D多孔结构 

摘      要：CO的过度排放造成的环境问题和化石燃料的大量燃烧造成的能源危机,大大制约了当今社会的可持续发展。光催化技术自1972年这一概念提出以来,一直被认为是缓解能源危机和环境问题的最具有前景的技术之一。在光催化反应中,其驱动力是光能,由于太阳光由紫外线、可见光和红外线组成(大约分别占5%、43%和52%),而TiO作为传统光催化剂的代表,其禁带宽度(3.2 eV)较大,只能受紫外光激发,大大限制了其在光催化方面的应用。2009年g-CN作为一类新型的二维光催化材料,其禁带宽度为2.7 eV,意味着具有可见吸收能力,并具有良好的化学稳定性,在光催化应用中引起了很大兴趣。另外,g-CN由于其较高的导带位置,常应用于许多光催化还原反应中,比如光催化产H和光催化CO还原。然而,纯g-CN由于光利用效率低,光生载流子易于复合和催化反应位点不足而表现出令人不满意的催化性能。为此,一方面通过负载贵金属助催化剂来提高光生载流子的分离效率和提供丰富的产H活性位点,来提高其光催化产H性能。但是,贵金属昂贵且储量有限,所以希望最大化的优化贵金属在光催化体系中利用率。另一方面,纯的g-CN往往是多层堆叠的体相结构,载流子在层间传输能力较差,且接触反应的有效面积大大减少,从而降低了光催化反应效果,将其剥离成纳米片结构减少载流子在层与层之间的复合或者构造分等级3D多孔结构增强光吸收能力和反应物接触面积,不失为一种有效的形貌调控手段。文主要研究内容如下:1.以尿素为原料,通过热氧刻蚀和超声辅助剥离的方法,成功制备了少层的g-CN纳米片,并且使用三乙醇胺(TEOA)作为牺牲剂,HPtCl水溶液是镀Pt的前驱体,来探究光沉积镀Pt的影响因素及其对产H性能的影响。实验探究发现,在Pt的光沉积前加入牺牲剂TEOA,其与Pt前驱体的强相互作用限制了金属Pt有效的光还原。可能是由于在HPtCl水溶液中加入TEOA后,与Pt反应形成一个新的配合物(新Pt的前体),该配合物具有较高的还原电位,不能被来自CNS导带的电子光还原成金属Pt。2.以尿素为原料,高温煅烧热聚合形成g-CN后立即浸入冰水中,淬冷诱导成功合成了分等级3D多孔的g-CN。与在空气中自然冷却条件下制备的样品相比较,相关的表征揭示了其晶体结构和g-CN骨架并未由于巨大的温差遭到破坏。此外,由于所得样品在形貌结构方面的优势,其具有较高的光吸收能力,光生载流子分离效率,且分等级3D多孔的结构有利于CO的吸附和传质过程,从而表现出较高的光催化还原CO性能。