管状g-C3N4复合材料的制备及其光催化性能研究

作     者：裴雪晴 

作者单位：广西大学 

学位级别：硕士

导师姓名：何欢

授予年度：2023年

学科分类：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：管状g-C3N4 可见光催化 Bi2O3 Co3O4 复合材料 

摘      要：石墨氮化碳(g-CN)是一种不含金属的聚合物半导体,由于其优异的化学稳定性、较低的制备成本和良好的可见光收集能力,已成为光催化领域的重要材料。然而,低的比表面积和较高的光生载流子复合率限制了本征块状g-CN的光催化性能。因此,本文尝试对g-CN的微观形貌进行调控,并对其能带结构进行调节,以提高其在可见光下的光催化性能。主要内容如下:以三聚氰胺为前驱体,先采用水热法通过无酸碱、无模板的分子自组装的方式合成了六棱柱状超分子中间体,然后再煅烧中间体,实现了g-CN从块状到管状结构的形貌调控。综合利用SEM、XRD、BET、UV-vis和PL等对试样进行了分析表征,结果表明:水热温度是影响六棱柱状中间体晶体合成的关键因素,较适宜的水热温度是180℃;管状结构g-CN(TCN)的比表面积显著增大,是本征g-CN(BCN)的2.88倍。TCN独特的中空管状结构在提供了更多活性反应位点的同时,还可以使入射光在内腔多次散射与反射,在一定程度上增强了光捕获能力,因此表现出了比BCN更高的光催化活性:经可见光照射60 min后,TCN和BCN光催化降解罗丹明B的效率分别为53%和39%,TCN的反应速率常数是BCN的1.58倍。采用溶剂热法制备了TCN/BiO复合材料,综合运用不同分析测试手段对其结构和性能进行了表征分析。结果表明:BiO纳米片负载于TCN表面构建出了Ⅱ型异质结,有效抑制了光生载流子的复合,并加速了电荷转移速率。与单组分相比,TCN/BiO复合材料表现出增强的光催化活性,其中样品TCN/BiO-0.5表现出最佳的降解效率,在可见光照射下,经60 min就降解了99%的罗丹明B。自由基捕获实验的结果表明,光降解过程中起主要作用的活性物种为h,·O。此外还通过水热预处理+煅烧法将CoO纳米片负载在TCN表面,制备了TCN/CoO复合材料,对其结构和性能也进行了表征分析。结果表明:CoO的引入可以使TCN的带隙变窄,提高可见光的利用率,同时有效抑制光生载流子的复合。其中样品TCN/CoO-0.2降解罗丹明B的效率最高,在可见光照射50 min后,降解效率达到98.4%;降解过程中起主要作用的活性物种是·O和·OH。结合TCN/CoO体系的能带结构分析可知,其光生载流子的迁移更符合Z型异质结转移机制。TCN/CoO复合材料光催化降解罗丹明B的表现略优于TCN/BiO,这可能与CoO使TCN的光吸收红移和光生载流子的Z型异质结转移机制之间的协同有关。