用于环境污染物治理和氢能开发的氮化碳及类水滑石的可控制备

摘要

环境污染和能源危机是阻碍现代社会人类发展的两大障碍，主要是因为化石燃料的燃烧既造成环境污染又使得能源日益枯竭。在应对这种挑战的各种技术当中，光催化法和吸附法因高效、廉价、对环境友好等优点被广泛应用。 石墨相氮化碳(g-C3N4)，作为一种非金属半导体光催化剂吸引了广泛关注，由于其狭窄的禁带宽度和热稳定性高的独特性质使得氮化碳在污染物处理、光催化水制氢等领域具有潜在的应用，然而氮化碳比表面积小、光生电子和空穴复合率高等缺点，严重抑制了其光催化活性，因此考虑对其进行改性来提高活性。类水滑石(LDH)作为一种特殊的无机层状材料，由于具有优秀的层间阴离子交换能力，使其在污染物吸附方面有着很好的应用，但传统类水滑石材料在实际水处理过程中去除效率低、回收利用率低，因此开发新型的吸附效率高、应用范围广、易回收的类水滑石吸附材料非常重要。本文针对以上问题，通过对氮化碳进行复合和改变形貌使其改性，提高光催化活性；通过对类水滑石和聚乙烯醇(PVA)海绵进行复合来提高其吸附性能和回收再利用性能，具体研究成果如下： 1．本实验通过掺杂煅烧法制备硼掺杂氮化碳，然后与自组装合成的锌卟啉微米棒在π-π相互堆积作用下形成复合材料，实现对甲基橙的光催化降解。锌卟啉作为光敏剂提高了对可见光的吸收率，而且将光激发产生的电子传递给硼掺杂氮化碳纳米片来达到协同降解效果。利用透射电子显微镜，X射线粉末衍射，傅里叶变换红外光谱，光电等对所得样品进行了表征，结果表明硼掺杂氮化碳纳米片成功均匀附着到了锌卟啉微米棒表面上，通过光催化降解甲基橙的实验表明，在可见光的激发下，ZnTPyP/B-C3N4复合光催化剂对有机污染物具有优异的光催化降解性能。由于ZnTPyP具有较高的稳定性和吸光性能，因此，ZnTPyP/B-C3N4复合材料在仿生光催化降解污染物方面有广泛的应用。 2．本实验通过将三聚氰胺和氯化铵的混合溶液冷冻干燥后煅烧制备多孔氮化碳，然后将其与通过机械搅拌发泡剂制备的聚乙烯醇(PVA)海绵复合，制得多孔g-C3N4/PVA复合海绵。采用扫描电子显微镜(SEM)，X-射线衍射(XRD)，傅里叶红外光谱(FT-IR)，紫外-可见光谱(UV-Vis)等手段对其进行了表征，结果表明我们已经成功制备了多孔g-C3N4/PVA复合海绵且降解效果较高。基于多孔g-C3N4/PVA复合海绵的光催化活性、吸附性及易回收性，可以进一步将其应用于降解有机污染物领域。 3．本实验以聚乙烯醇(PVA)海绵为基底材料，通过简单的原位水热法制备了一种新型的Zn/Fe-LDH复合海绵。制备的复合海绵不仅能通过阴离子插层交换法较好的吸收水中阴离子污染物，而且容易回收再利用。对所得产物用扫描电子显微镜，X射线粉末衍射，FT-IR光谱，BET等进行表征。结果表明，复合海绵中含有花状的Zn/Fe-LDH微球均匀分散在聚乙烯醇(PVA)海绵基质中且Zn/Fe-LDH复合海绵的比表面积为42.5m2·g-1，约为纯PVA海绵(8.9m2·g-1)的5倍。通过阴离子吸附实验表明，Zn/Fe-LDH复合海绵对As(V)的最大吸附量为85.7mg·g-1，比Zn/Fe-LDH粉体和纯PVA海绵高得多。此外，Zn/Fe-LDH复合海绵具有较高的热稳定性、良好的机械稳定性和易于回收重复利用的特点，是一种低成本、有发展前景的水处理材料。 4．通过两步法成功制备有序石墨化氮化碳(g-C3N4)管束材料。首先，将三聚氰胺和PEG-PPG-PEG在热水中通过自组装过程形成分子晶体，然后再在管式炉中550℃氮气氛围下煅烧分子晶体。对所得产物用X射线粉末衍射，透射电子显微镜，扫描电子显微镜，傅里叶变换红外光谱，荧光光谱进行了表征。结果表明煅烧制得的有序氮化碳管束(直径约100nm，长度＞5μm)材料具有较高的比表面积和较好的光电性能。高比表面积和较强的电子运输性能使g-C3N4管束具有优异的光催化性能。在10vol.%三乙醇胺(TEOA)，1wt.%Pt助催化剂，可见光照射下(300W氙灯,＞420nm)，g-C3N4管束光催化剂最高产氢速率可达16.07mmol·h-1·g-1，几乎为块状氮化碳产氢速率的5倍。结果表明改进的g-C3N4管束光催化剂在可再生能源应用中具有广阔的发展空间。

目录

声明

符号说明

1 前言

1.1能源危机

1.1.1 能源危机概述

1.1.2能源危机解决方法

1.2环境污染

1.2.1环境污染概述

1.2.2环境污染解决方法

1.3氮化碳

1.3.1氮化碳的研究背景

1.3.2 氮化碳的制备方法

1.3.3 氮化碳的改性方法

1.3.4 氮化碳的应用

1.4 类水滑石

1.4.1 类水滑石（LDHs）的结构

1.4.2 类水滑石的制备方法

1.4.3 类水滑石的应用

1.5研究内容及意义

2 材料与方法

2.1实验试剂与仪器

2.1.1实验试剂

2.1.2实验仪器

2.2实验方法

2.2.1硼掺杂氮化碳与锌卟啉复合材料的制备及用于光催化降解染料

2.2.2多孔氮化碳负载聚乙烯醇海绵的制备及用于降解水中污染物

2.2.3含花状锌铁类水滑石微球海绵的制备及用于降解水中污染物

2.2.4有序的石墨相氮化碳管束的制备及用于光催化产氢

3 结果与分析

3.1硼掺杂氮化碳与锌卟啉复合材料的制备及用于光催化降解染料

3.1.1 硼掺杂氮化碳与锌卟啉复合材料的制备及光催化降解原理图

3.1.2硼掺杂氮化碳与锌卟啉复合材料的表征及光催化性能的研究

3.2多孔氮化碳负载聚乙烯醇海绵的制备及用于降解水中污染物

3.2.1 多孔氮化碳负载聚乙烯醇海绵的表征

3.2.2 光催化性能测试

3.3含花状锌铁类水滑石微球海绵的制备及用于降解水中污染物

3.3.1 Zn/Fe-LDH复合海绵的设计及吸附机理

3.3.2 Zn/Fe-LDH复合海绵的形貌结构表征

3.3.3 Zn/Fe-LDH复合海绵的吸附性能

3.3.4 Zn/Fe-LDH复合海绵的可重复利用性

3.4有序的石墨化氮化碳管束的制备及用于光催化产氢

3.4.1有序石墨化氮化碳管束的形成机理

3.4.2有序石墨化氮化碳管束的形貌结构表征

3.4.3 光催化产氢测试

3.4.4光催化活性的增强机理

4 讨论

4.1硼掺杂氮化碳与锌卟啉复合材料的制备及用于光催化降解染料

4.2多孔氮化碳负载聚乙烯醇海绵的制备及用于降解水中污染物

4.3含花状锌铁类水滑石微球海绵的制备及用于降解水中污染物

4.4有序的石墨化氮化碳管束的制备及用于光催化产氢

5 结论

5.1硼掺杂氮化碳与锌卟啉复合材料的制备及用于光催化降解染料

5.2多孔氮化碳负载聚乙烯醇海绵的制备及用于降解水中污染物

5.3含花状锌铁类水滑石微球海绵的制备及用于降解水中污染物

5.4有序的石墨化氮化碳管束的制备及用于光催化产氢

6 创新之处

参考文献

致谢

9 攻读硕士学位期间发表的论文