g-C3N4基纳米复合材料的制备及其可见光光催化性能的研究

摘要

光催化技术在解决全球性的能源危机和环境污染问题上已经显示出巨大的潜力。类石墨相氮化碳(g-C3N4)由于其优良的热和化学稳定性、无毒以及成本低等优点而受到人们的广泛关注。然而，g-C3N4的可见光光催化性能由于其具有比表面积小、可见光吸收能力低和光生电子-空穴对复合快等缺点而受到极大的限制。
　　本论文首先通过热缩聚合成法制备了g-C3N4，并通过质子化方法对g-C3N4进行了盐酸处理制备了质子化g-C3N4(p-g-C3N4)，然后以p-g-C3N4为基底，分别采用超声化学法和沉积-沉淀法将p-g-C3N4分别与氧化石墨烯(GO)纳米片和Ag/AgCl纳米颗粒进行复合制备纳米复合材料。最后采用热氧化刻蚀法制备了g-C3N4纳米片。通过XRD、TEM、XPS、UV-vis和PL等方法对上述材料的结构、微观形貌以及光学性质进行了表征，并通过可见光照射下降解甲基橙(MO)、盐酸四环素(TC)和环丙沙星（CIP）溶液来评价样品的可见光光催化性能。
　　质子化研究表明，通过盐酸处理后的p-g-C3N4具有超薄的层状结构。与单一g-C3N4相比，p-g-C3N4的光吸收边缘随着盐酸浓度的增加逐渐蓝移，且其光生电子-空穴对的分离效率得到明显增强，当盐酸浓度为3 mol/L时，样品具有最高的可见光光催化性能，在可见光照射2h后对MO溶液的降解率为30.08％。
　　GO/p-g-C3N4纳米复合材料的研究表明，与单一g-C3N4相比，GO/p-g-C3N4纳米复合材料对可见光的吸收能力以及其光生电子-空穴对的分离效率得到明显增强，当HCl浓度为3 mol/L时，样品具有最高的可见光光催化性能，其在可见光照射2h后对MO溶液的降解率达到84.94％;在可见光照射4h后对TC溶液的降解率达到92.43％。同时，GO/p-g-C3N4纳米复合材料具有较高的光催化稳定性。
　　Ag/AgCl/p-g-C3N4纳米复合材料的研究表明，与单一g-C3N4相比，Ag/AgCl/p-g-C3N4纳米复合材料对可见光的吸收能力以及其光生电子-空穴对的分离效率得到明显增强，当AgNO3的加入量为0.7 mmol时，样品具有最高的可见光光催化性能，其在可见光照射1h后对MO溶液的降解率达到90.37％;在可见光照射2h后对TC和CIP溶液的降解率分别为92.47％和76.06％。同时，Ag/AgCl/p-g-C3N4纳米复合材料具有较高的光催化稳定性。
　　热氧化刻蚀的研究表明，经过热氧化刻蚀处理后的g-C3N4纳米片呈现出一种蓬松的类似聚合物的形貌，与单一g-C3N4相比，g-C3N4纳米片的光吸收边缘随着刻蚀温度的增加逐渐蓝移，对当刻蚀温度达到475℃时，样品具有最高的可见光光催化性能，其在可见光照射2h后对MO的降解率达到74.43％。

目录

声明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 半导体光催化技术

1．2．1 半导体光催化简介

1．2．2 半导体光催化机理

1．2．3 提高半导体光催化反应效率的方法

1．3 类石墨相氮化碳(g-C3N4)的概述

1．3．1 g-C3N4研究进程

1．3．2 g-CaN4的结构和性质

1．3．3 g-C3N4的制备方法

1．3．4 g-C3N4的修饰改性

1．3．5 g-C3N4的应用

1．4 本论文的选题意义及主要内容

1．4．1 选题意义

1．4．2 主要内容

第2章 实验方法

2．1 实验原材料和设备

2．2 实验工艺流程

2．2．1 g-C3N4和质子化g-C3N4(p-g-C3N4)的制备工艺

2．2．2 氧化石墨烯(GO)的制备工艺

2．2．4 Ag／AgCl／p-g-C3N4纳米复合材料的制备工艺

2．2．5 g-C3N4纳米片的制备工艺

2．3 样品的结构表征

2．3．1 X射线衍射分析(XRD)

2．3．2 透射电子显微镜分析(TEM)

2．3．3 扫描电子显微镜分析(SEM)

2．3．4 能谱分析(EDS)

2．3．7 光致发光光谱分析(PL)

2．4 样品光催化性能的检测

第3章 GO／p-g-C3N4纳米复合材料的制备及其可见光光催化性能的研究

3．1 引言

3．2 p-g-C3N4和GO／p-g-C3N4的制备

3．3．1 样品的XRD分析

3．3．2 样品的形貌分析

3．3．3 样品的XPS分析

3．3．4 红外光谱分析

3．3．5 表面Zeta电位分析

3．3．6 样品的紫外-可见光谱分析

3．3．7 样品的光致发光谱分析

3．3．8 样品的光催化性能表征

3．3．9 样品的可见光光催化机理分析

3．4 本章总结

第4章 Ag／AgCl／p-g-C3N4纳米复合材料的制备及其可见光光催化性能的研究

4．2 Ag／AgCl／p-g-C3N4纳米复合材料的制备

4．3 样品的表征

4．3．1 样品的XRD表征

4．3．2 样品的形貌分析

4．3．2 样品的XPS分析

4．3．4 样品的紫外-可见吸收光谱分析

4．3．5 样品的光致发光谱图分析

4．3．6 样品的光催化性能表征

4．3．7 样品的可见光光催化机理分析

4．4 本章总结

第5章 g-C3N4纳米片的制备及其可见光光催化性能的研究

5．1 引言

5．2 样品的制备

5．3 样品的表征

5．3．1 样品的XRD分析

5．3．2 样品的形貌分析

5．3．3 样品的XPS分析

5．3．4 样品的紫外-可见光谱分析

5．3．5 样品的光致发光谱图分析

5．3．6 样品的光催化可见光光催化性能的评价

5．3．7 样品的光催化动力学分析

5．4 本章总结

第6章 全文总结与展望

6．1 全文总结

6．2 工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况