苝酸酐及氟代氨基苄腈改性氮化碳材料的制备及其光解水制氢

摘要

随着现代社会科技的进步和人类生活质量的提高，人类对自然资源的需求量越来越大，由此造成的能源危机和环境污染问题也日趋严重。光催化技术在解决能源和环境问题方面具有巨大的潜力。近年来，石墨相氮化碳(g-C3N4)作为一种不含金属组分、稳定、廉价易得的催化剂，由于其特殊的电子能带结构和良好的化学稳定性被广泛应用于光解水制氢等多个光催化领域。但单纯的g-C3N4的催化活性和应用受到其光吸收范围和导电性的限制。为了拓展 g-C3N4的光吸收范围，表面修饰改性、非金属掺杂等是普遍采用的方法。为了提高g-C3N4的导电性，化学共聚是近几年发现的较好的改性方法。
　　本文首先采用热聚合的方法分别在氩气和空气氛围下得到 g-C3N4和og-C3N4两种本体氮化碳材料，并在不改变氮化碳材料基本化学结构的基础上，对本体氮化碳进行改性来提高其光解水产氢性能。分别采用纳米铸造和热氧化剥离方法得到介孔氮化碳pg-C3N4和氮化碳纳米片sg-C3N4，并探索其光催化性能，结果表明g-C3N4、pg-C3N4和sg-C3N4在可见光（≥400 nm）照射，4 wt％Pt负载，10 vol%TEOA为牺牲剂的条件下的分解水产氢效率分别为13.1μmol·h-1、30.1μmol·h-1和40.2μmol·h-1，说明形貌的优化可以提高材料的光催化性能。
　　通过酰胺化反应，制备了不同PTCDA（苝四甲酸酐）含量的x%-PT-pg-CN（x=0.5、1、3、5）和 x%-PT-sg-CN（x=0.2、0.5、1、3、5）杂化材料。其中x是PTCDA与pg-C3N4或sg-C3N4的质量百分比。发现PTCDA的加入导致杂化材料的光解水产氢能力下降。虽然PTCDA的加入增强了杂化材料的光吸收能力且提高了其电子空穴分离效率，但PTCDA的加入降低了杂化材料的LUMO能级，进而降低了材料的还原能力，从而导致光解水产氢能力下降。
　　通过共聚合的方法制备出不同位氟代氨基苄腈改性的氮化碳材料：og-C3N4， ATFBN-CN0.05，ABN-CN0.05，AFN-6-CN0.05和AFN-5-CN0.05，通过Classical Tauc Approach公式得到的上述材料的能带隙分别为：2.69 eV，2.69 eV，2.63 eV，2.57 eV，2.61 eV。上述材料在可见光（≥400 nm）照射下，4 wt%Pt负载，10 vol%TEOA为牺牲剂的条件下的分解水产氢效率按大小顺序排列为：AFN-5-CN0.05(54.2μmol·h-1)>AFN-6-CN0.05(37.3μmol·h-1)>ABN-CN0.05(33.4μmol·h-1)>ATFBN-CN0.05(30.1μmol·h-1)>og-C3N4(13.0μmol·h-1)。AFN-5-CN0.05的产氢效率最高，约为本体og-C3N4的4.17倍。主要原因是AFBN-5结构中5号位的F原子对共聚反应的促进作用及其造成的F掺杂，从而提高了材料的光解水产氢效率。

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1 绪论

1.1 光催化概述

1.2 氮化碳材料研究现状

1.3 氮化碳的改性

2 课题的提出及研究内容

2.1 课题的提出

2.2 研究思路

2.3 研究内容

2.4 课题创新点

2.5 论文中制备催化材料简写

3 实验原料、仪器设备及测试方法

3.1 主要实验原料及化学试剂

3.2 主要实验仪器和设备

3.3 主要结构分析仪器及测试条件

3.4 光电化学测试

3.5 可见光催化分解水产氢性能评估

4 不同形貌氮化碳材料的制备及结构分析表征

4.1 本体氮化碳的制备方法及结构分析

4.2 多孔氮化碳的制备方法及结构分析

4.3 氮化碳纳米片的制备方法及结构分析

4.4 不同形貌氮化碳材料的光催化活性研究

4.5 本章小结

5 苝酸酐掺杂不同形貌氮化碳的制备、表征及性能研究

5.1 PTCDA掺杂介孔氮化碳的制备、表征及光催化活性研究

5.2 PTCDA掺杂sg-C3N4的制备、表征及光催化活性研究

5.3 结果分析

5.4 本章小结

6 不同位氟代氨基苄腈共聚改性氮化碳的制备及性能评价

6.1 ABN改性氮化碳材料ABN-CN的制备、表征及性能测试

6.2 AFN-6-CN的制备、表征及性能测试

6.3 AFN-5-CN的制备、表征及性能测试

6.4 ATFBN-CN的制备、表征及性能测试

6.5 不同小分子共聚改性氮化碳的表征及性能评价

6.6 本章小结

主要结论

参考文献

致谢

个人简历