银基/石墨相氮化碳复合光催化材料的制备及其可见光催化性能研究

摘要

光催化技术，作为一种可利用太阳能来降解环境中有毒有害物质的新型科学技术手段，近年来得到了国内外研究者们的广泛关注。具有良好可见光响应的类石墨相氮化碳（Graphitic Carbon Nitrode，g-C3N4），由于其特殊的电子结构及优异的化学及热稳定性，已成为目前备受瞩目的新型非金属有机聚合光催化材料。此外，银基化合物材料（如:Ag-AgCl，Ag3PO4，Ag2CO3等）是一类新型高效可见光光催化材料。但是这类新型石墨相氮化碳和银基化合物材料单独使用时，仍还存在量子效率低、光腐蚀现象严重等问题。为妥善处理这些问题，提高光催化技术在环境治理及其他领域的可行性应用价值，本文对g-C3N4和银基光催化剂在制备优化、结构组装和性能增强等方面进行了研究，研究内容如下:
　　①氧化石墨烯(rGO)/g-C3N4/Ag-AgCl三相复合材料的制备及其在可见光下可控的选择性降解活性分析。本次实验首先以三聚氰胺、尿素为原材料，采用简单的高温缩聚法制备出g-C3N4;随后通过沉积法和原位光致还原法制备出具有良好可见光活性的rGO/g-C3N4/Ag-AgCl(GCA)样品。这种石墨烯-半导体-金属复合光催化材料在降解水中偶氮染料时显示出了增强的可见光催化降解活性和可控的光催化选择性。这种增强的可见光催化降解效果主要可归因于:石墨烯优异的电子迁移率以及Ag-AgCl的表面等离子体效应，二者的协同作用在降低复合样品中光生电子、空穴复合速率的同时，还可提高其对太阳能的转化效率。此外，通过对GCA样品表面电荷性质进行调控，使其优先吸附与其表面电荷相反的污染物分子，可达到选择性降解被吸附分子的目的，从而使其具有可控的光催化选择性。
　　②不同尺寸Ag2CO3样品制备及其可见光催化活性研究。首先，以AgNO3或银氨溶液为前驱体，分别与Na2CO3或NaHCO3通过简单沉淀反应制得四种不同尺寸Ag2CO3颗粒，其尺寸大小分别在2μm-3μm或3μm-5μm范围内。此外，通过对各样品在可见光下降解甲基橙(MO)染料的光催化活性进行对比分析，并结合X射线衍射、扫描电镜、氮吸附脱附曲线及紫外-可见漫反射光谱等表征结果对其光催化活性增强与失活机理进行了解释。实验结果表明:Ag2CO3样品表面少量Ag纳米颗粒(Nanoparticle，NPs)的存在可作为材料中光生电子的有效捕获井，促使Ag2CO3导带上的光生电子迁移至Ag NPs上，达到抑制光生电子、空穴复合，提高Ag2CO3材料光催化反应活性的目的;但过多的Ag NPs会在材料表面形成银壳结构，造成Ag2CO3材料对光的利用率下降，并会成为其内部光生载流子新的复合位点，从而对Ag2CO3材料的光催化活性产生明显抑制作用，造成光腐蚀现象。通过本次研究，有可能为设计开发更多高效稳定的碳酸银及其复合材料提供新的研究思路。

目录

声明

摘要

缩略语表

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 半导体光催化作用机理

1．3 影响半导体光催化活性的主要因素

1．3．1 内部因素

1．3．2 外部因素

1．4 提高半导体光催化活性的方法

1．4．1 离子掺杂

1．4．2 贵金属沉积

1．4．3 半导体耦合

1．4．4 表面染料敏化

1．5 g-C3N4半导体材料研究进展

1．5．1 g-C3N4的研究背景

1．5．2 g-C3N4的晶体结构与性质

1．5．3 g-C3N4的制备方法与研究现状

1．6 其他新型光催化材料研究进展

1．6．1 石墨烯基材料

1．6．2 银基化合物材料

1．7 选题意义及研究内容

第二章 实验材料及表征测试方法

2．1 实验材料

2．1．1 实验主要试剂与原材料

2．1．2 实验主要仪器

2．2 催化剂表征方法

2．2．1 X射线衍射(XRD)

2．2．2 透射电镜(TEM)

2．2．3 扫描电镜(SEM)

2．2．4 紫外可见漫反射光谱(UV-vis DRS)

2．2．5 傅里叶变换红外光谱(FT-IR)

2．2．6 X射线光电子能谱(XPS)

2．2．7 荧光光谱(PL)

2．2．8 氮吸附脱附曲线(N2-BET)

2．3 电化学性能测试

2．3．1 瞬时光电流(PC)

2．3．2 电化学阻抗(EIS)

2．4 光催化活性分析

第三章 rGO／g-C3N4／Ag-AgCl三相复合材料的制备及其可控选择性催化降解研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 光催化材料的制备

3．2．2 样品表征

3．2．3 光催化活性测试

3．2．4 光电极制备与电化学性能分析

3．3 结果与讨论

3．3．1 相结构分析

3．3．2 形貌分析

3．3．3 XPS分析

3．3．4 FT-IR分析

3．3．5 UV-vis DRS分析

3．3．6 荧光光谱分析

3．3．7 电化学分析

3．3．8 光催化活性分析

3．3．9 光催化选择性分析

3．3．10 光催化机理分析

3．4 本章总结

第四章 不同尺寸Ag2CO3样品制备及其光催化活性研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 Ag2CO3光催化材料的制备

4．2．2 样品表征

4．2．3 光催化活性测试

4．3 结果与讨论

4．3．1 相结构分析

4．3．2 形貌分析

4．3．3 UV-vis DRS分析

4．3．4 光催化活性分析

4．3．5 光催化机理分析

4．3．6 光催化稳定性及腐蚀机理分析

4．4 本章总结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

硕士期间已发表的研究论文

致谢