亚酞菁/半导体复合材料的制备及其光催化性能研究

作     者：杨林 

作者单位：西北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李卓

授予年度：2022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] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0703[理学-化学] 

主      题：亚酞菁 氮化碳 氧化锌 光催化降解 

摘      要：近年来,环境污染和能源短缺严重影响着人类的生存发展。光催化技术不但能够利用半导体光触媒催化去除环境中的污染物,而且可以将太阳能催化转化为高附加值化学品,具有巨大的应用前景,是解决上述问题的有效途径之一。石墨相氮化碳(g-CN)具有价格低廉、化学稳定性高以及合适的能带位置等优点,但是它的比表面积相对较小、电荷重组快、光吸收范围狭窄。氧化锌(ZnO)易于制备,结晶性好且形貌丰富,具有良好的热稳定性,但是它的光学带隙太宽且光腐蚀效应严重。酞菁(Pc)具有叶绿素结构,但18π电子体系易于聚集,失活。相比之下,亚酞菁(SubPc-Br)为14π电子体系,结构易于修饰且具有独特的空间构型。基于以上科学问题,本研究以SubPc-Br为光敏剂,设计制备了不同类型异质结光催化剂SubPc-Br/g-CN、SubPc-Br/ZnO和SubPc-Br/g-CN/ZnO,将其用于光催化降解甲基蓝和溴酚蓝(MB、BB),获得了优异的催化效果,具体研究如下:a.在双排管无水无氧体系中,通过邻苯二腈和BBr反应合成SubPc-Br,通过高温煅烧三聚氰胺合成g-CN纳米片。通过XRD、SEM以及UV-vis DRS等表征手段确定了晶型、形貌以及光学性质。b.通过利用SubPc-Br的π堆积作用将SubPc-Br自组装于g-CN与ZnO表面,构建了系列SubPc-Br/g-CN与SubPc-Br/ZnO异质结催化剂。相比纯g-CN,0.5SubPc-Br/g-CN(0.5表示亚酞菁负载质量为0.5%)在可见光照射120和90 min后,对MB和BB的降解率达到99.5%和98.1%,分别提高17.2%和57.0%。相比纯ZnO,2.0SubPc-Br/ZnO具有最好的降解性能,在可见光照射60和120 min后,对MB和BB的降解率达到99.5%和99.3%,分别提高21.8%和38.8%。此外,2.0SubPc-Br/ZnO显示出活化过硫酸盐(PDS)产生自由基硫酸根(·SO)的能力,加速了光催化反应。根据能级计算、UV-vis DRS及VB-XPS表征得到的能带位置,结合活性物种捕获实验,讨论了SubPc-Br/g-CN与SubPc-Br/ZnO的作用机理为Type-II型。最终证明了SubPc-Br作为敏化剂,扩宽了光响应范围且提高了载流子迁移率。c.通过高温煅烧法制备了g-CN/ZnO异质结,进一步引入SubPc-Br构建了SubPc-Br/g-CN/ZnO复合催化剂。与g-CN/ZnO相比,1.0SubPc-Br/g-CN/ZnO光催化效率提升明显,在光催化反应40 min后,对MB降解率为98.4%。且降解结果和EPR测试证明1.0SubPc-Br/g-CN/ZnO能够激活PDS产生·SO加速反应。UV-vis DRS、PL、TPR及EIS表征表明SubPc-Br的引入提高了可见光利用率,增强了光生电子-空穴对的分离和转移。最后结合活性物种捕获结果,讨论了SubPc-Br/g-CN/ZnO光催化活性增强的原因。