基于g-C3N4光催化剂制备及其光解水制氢的性能研究

摘要

随着全球化石能源的快速消耗和环境的日益恶化，开发环境友好、成本低廉、资源丰富的可再生能源已经成为人类面临的亟待解决的问题。氢气作为一种绿色清洁的新能源受到了研究学者的广泛关注，利用光催化技术分解水制氢是理想的制氢途径之一。1972年，Fujishima和Honda报道了通过光致分解水技术可以在TiO2半导体单晶电极上分解水产生H2和O2，此后，研究人员对半导体光催化材料展开了广泛而深入的研究。然而，以TiO2为代表的传统光催化材料，因较宽的带隙和较差的可见光响应而限制了其应用。所以，开发禁带宽度窄且在可见光区域有更大响应范围的半导体材料，具有十分重要的理论和应用价值。 石墨相氮化碳（g-C3N4）是一种典型的具有2D层状结构的非金属半导体光催化剂，因其具有热稳定性和化学稳定性高、禁带宽度适中和可见光区域活性较高等特点，吸引了研究者的广泛关注。但是，由于其存在光生电子和空穴的复合率高、量子效率低等缺点而限制了它的应用。在本工作中，以g-C3N4作为研究对象，通过元素掺杂和表面助剂改性等方法，提升催化剂的可见光利用率和光生电子空穴分离效率，探索最佳的实验条件和方法提高g-C3N4材料的性能。主要研究内容如下： 第一部分：我们用尿素和二苄基二硫作为原料，采用高温聚合得到硫掺杂的石墨相氮化碳（g-S-C3N4以SCN表示）材料，然后通过光沉积法，将SCN与镍复合，制备了高可见光催化活性的Ni/g-S-C3N4（以NiSCN表示）光催化剂。在此过程中，Ni单质是通过光生电子还原二价镍离子形成的，该方法可以有效的将Ni负载于SCN表面。通过改变镍盐溶液的浓度对Ni与SCN的比例进行调整，得到不同镍含量的NiSCN光催化剂。实验结果表明：在可见光下（λ>420 nm），与纯g-C3N4和SCN相比，NiSCN表现出卓越的光催化活性。其原因是，一方面，与纯g-C3N4相比，在硫的掺杂和镍的负载之后，使SCN和NiSCN的禁带宽度变窄，拓展了其在可见光区域的响应范围。另一方面，较小的镍纳米粒子均匀的沉积在了SCN的表面，有利于光生电子-空穴的有效分离，有利于光催化活性的提高。 第二部分：以三聚氰胺为碳氮源，乙酸钴为钴源，首先将碳酸钠作为沉淀剂 在乙二醇溶剂中得到钴的氢氧化物与三聚氰胺的混合物，然后将得到的材料通过一锅煅烧法得到Co3O4@g-C3N4核壳结构，然后通过原位还原得到Co@g-C3N4的核壳光催化剂。此实验设计是将Co作为助催化剂，促进电荷有效分离，抑制光生电子-空穴对的复合。

目录

第一个书签之前

摘 要

Abstract

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 半导体光催化概论

1.2.1 半导体光催化原理

1.2.2 光催化剂及光催化活性评价

1.2.3 光催化材料的研究现状

1.2.4 光催化活性提高的主要方法

1.3 g-C3N4的简介

1.3.1 g-C3N4的发展历史

1.3.1 g-C3N4的结构与性质

1.3.2 g-C3N4的制备方法

1.4 论文选题与主要研究内容

参考文献

第二章 Ni/g-S-C3N4光催化剂制备及其光催化分解水制氢的性能研究

2.1引言

2.1.1本章设计构思与创新点

2.2实验部分

2.2.1 实验试剂

2.2.2 实验仪器

2.2.3 光催化剂制备

2.2.4 测试与表征方法

2.3 结果与讨论

2.3.1 相结构与形貌

2.3.2 比表面积和孔分布

2.3.3 X射线光电子能谱分析

2.3.4 催化剂的光学性质和能带结构分析

2.3.5 红外分析

2.3.6光催化活性及稳定性分析

2.3.7 荧光分析

2.3.8 光电性能测试

2.3.9 光催化反应机理研究

2.4 本章小结

参考文献

第三章 Co@g-C3N4核-壳结构光催化剂构建及其光解水制氢性能的研究

3.1 引言

3.1.1 本章设计构思与创新点

3.2 实验部分

3.2.1 实验试剂

3.2.2 实验仪器

3.2.3 光催化剂制备

3.2.4 光催化活性测试

3.3 结果与讨论

3.3.1 X射线粉末衍射分析

3.3.2 TEM分析

3.3.3 XPS分析

3.3.4 紫外可见漫反射

3.3.5催化剂的产氢性能测试

3.3.7 光催化机理

3.4 本章小结

参考文献

第四章 总结与展望

4.1 总结

4.2 展望

硕士期间所获科研成果及参与课题

致谢