类石墨相氮化碳的改性及其压电催化性能

作     者：刘程灿 

作者单位：天津理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王达健

授予年度：2022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）] 081705[工学-工业催化] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：压电催化 降解污染物 类石墨相氮化碳 内建电场 改性 

摘      要：发展绿色、清洁的新型能源环保技术已成为当今社会的重中之重,基于压电材料开发的压电催化降解污染物近几年逐步成为研究热点,并被认为是继光催化降解污染物之后又一高效催化降解途径。压电催化通过利用机械振动使材料发生形变并产生内建电场,在内建电场力的作用下,电子和空穴发生分离,从而催化降解污染物。类石墨相氮化碳(g-CN)结构单元中存在大量的非对称性三角形空洞,使其具备优异的压电响应,并为其压电性能调控提供了空间。本课题以g-CN基材料为研究对象,从S掺杂、N缺陷和表面活性位点构建等方面,对g-CN的压电性能、压电降解机理和压电催化改性进行如下探究。取得以下研究进展:1.针对形貌结构和元素掺杂对g-CN压电性能的影响,以硫脲、尿素、三聚氰胺和双氰胺作为前驱体分别制备四种g-CN材料。四种前驱体合成的g-CN的压电性能依次为硫脲三聚氰胺双氰胺尿素。得益于S原子的原位取代和较为松散的层间堆叠结构对压电效应的促进作用,以硫脲为前驱体制备的g-CN的催化性能最为优异。其在完全避光的条件下,120 min内对25 ppm的Rh B溶液的降解效率达到90.4%,且压电降解速率常数分别是三聚氰胺和双氰胺合成的g-CN的1.56倍和3.44倍。2.为研究缺陷对g-CN压电性能的影响,以硫脲作为前驱体,通过调控煅烧温度得到不同N缺陷含量的g-CN。N缺陷通过破坏3-s-三嗪环结构单元,影响三角形纳米孔洞的非对称性,导致样品压电性能下降。550℃合成的g-CN缺陷含量最少,表现出最强的压电催化活性,其降解Rh B的速率常数分别是510、530和570℃合成的样品的1.99、1.39和2.63倍。活性物种捕获实验表明,羟基自由基在压电降解Rh B的过程中起主导作用。3.为提高g-CN压电催化过程中载流子的分离效率,采用光沉积法在g-CN表面引入Pt粒子。研究Pt粒子对样品表面改性的影响,并提出Pt/g-CN复合材料的压电催化反应机理。Pt粒子在g-CN表面的沉积与g-CN形成金属-半导体肖特基结,可促进载流的分离,增强样品的压电催化性能。优化的Pt/g-CN在75 min内对Rh B的降解率达到90.9%,且一级反应速率常数是纯g-CN的1.40倍。