氮化碳基光催化剂制备环境清洁氧化剂H2O2性能及机理研究

作     者：潘园 

作者单位：湖南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘智峰;曾炜

授予年度：2021年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：光催化 氮化碳 缺陷 钾插层 H2O2制备 双电子氧气还原 DFT 

摘      要：21世纪人类社会在科技和人文方面发展迅速,当代资源和环境问题也日益突出,向人类提出了严峻的挑战。太阳能是当今社会快速发展时尤为受到重视的可持续能源。目前通过利用半导体材料吸收光能进行催化转化被认为是解决当前环境和能源危机最有前景的手段之一。传统的无机半导体材料主要有金属氧化物如二氧化钛等已经不能满足人们的研究需求,对于有机半导体催化材料的探索也愈发浓烈,例如卟啉、酞菁染料以及氮化碳等等。由于有机半导体材料优异的半导体行为、热稳定性和自组装为有序的纳米级别的结构的特征让它们备受关注。g-CN是一种典型的半导体材料,其带隙约为2.7 e V是一种典型的n型可见光响应光催化剂,它具有结构稳定、无毒无污染性、容易制备等优点,因其具有优异的物理化学性能,从而表现出优异的光催化性能。但是对单一的g-CN来说,其目前应用还面临许多挑战,如电子-空穴复合太快、量子效率低、比表面积不够大等等,在很大程度上限制了它的实际应用效果。目前,国内外对g-CN催化剂催化性能提升的研究有很多,其中主要包括前驱体、制备工艺、方法的优化,纳米化改性,化学掺杂和物理复合改性等等。本工作根据已有成果和当下的热点问题研究了双功能模板法介导合成多孔有序结构的氰基和钾修饰的KDCN-x光催化剂在可见光下对产HO效率的影响和作用机理。主要研究如下:(1)氰基和钾插层修饰的KDCN-x光催化剂的制备及其可见光下产HO的性能提升研究。本研究工作首先利用KHCO作为气体模板在低温下(500℃)利用熔融的KCO介导形成多孔有序结构的KDCN-x光催化剂。实验结果表明KDCN-x光催化剂具有出色的光吸收能力和光催化还原氧气产HO活性。可见光条件下,最优化的KDCN-0.2样品光催化生产HO的效率约是原始氮化碳CN的4.3倍。同时本研究采用XRD、SEM、TEM、FTIR、XPS、PL、UV-vis DRS、EIS、RDE和ESR等物理化学以及电化学表征研究了制备光催化剂的催化性能。光学和电化学表征都证明了改性后的材料具有最优的光生载流子分离效率以及最差的电子传递阻力,这些结果表明了催化剂的光生载流子的迁移速率和分离效率的极大提升。随后,通过牺牲剂实验和ESR、RDE表征分析了O还原的电子转移数,证实了双电子O还原过程生产HO。(2)利用理论计算(DFT)模型模拟了钾原子插层对KDCN-x电子结构的影响。通过计算模型分析了钾插层的氮化碳的电子局域函数(ELF)和功函数(WF)的变化,结果表明钾原子的引入到氮化碳的相邻层间,与相邻层的N和C原子发生相互作用,减少了层间距,增强了层间电子迁移效率。钾插层的氮化碳的WF明显减少,说明钾的引入减少了电子从催化剂表面逃逸的阻力,加强了载流子分离效率,进提升了KDCN-x光催化产HO的能力。