单原子纳米催化材料的制备及其在光解水和光氧化反应中的应用

摘要

随着当前工业文明的不断进步与发展，能源危机和环境污染是人类面临着的亟需解决的重要问题。光催化以清洁无污染的太阳能能源为基础，实现了光能向化学能稳定高效地转换，为解决这一问题提供了可行性的思路。当前，利用可见光来驱动光化学反应已取得了越来越广泛的研究进展。然而，传统的半导体光催化剂普遍存在可见光吸收范围较窄，电荷分离和转移效率偏低等问题。单原子催化剂由于其可以最大化利用金属原子以及带来更高的选择性和转化率而受到人们关注。近来，人们发现单原子在光催化中可以提高半导体的电荷转移效率，从而为提高光催化氧化还原性能提供了确实可行的操作平台。　　本文以维生素B12作为碳前驱体和金属钴源，分别采用低温热解法和热聚合法制备了单原子负载的碳量子点和核壳型氮化碳光催化剂。主要内容如下：　　(1)以维生素B12为原料，采用低温热解的方法得到碳材料，然后在碱性环境下水解，提纯后成功制备出单原子钴负载的碳量子点催化剂。经过初步分析，这种光催化剂具有优异的光学性能以及高效的电荷分离效率。金属单原子Co可以促进光诱导电子-空穴对的形成和转移。由于金属原子与碳量子点之间的协同作用，单原子碳量子点对光氧化反应具有良好的催化效果。将单原子碳量子点用于不同的光氧化反应，证明了其具有较强光氧化能力。在光催化析氧反应中，以碘酸钠作为电子捕获剂，碳量子点在第一个小时内的析氧量达到168μmolg?1h-1，并具有较好的稳定性；在光催化苄胺氧化反应中，苄胺及其各类衍生物均能以极高的选择性反应，并有较高的转化率；在罗丹明B的光降解过程中，罗丹明B在较短的时间内被迅速降解，也证明了单原子碳量子点的强光氧化能力。　　(2)在使用模板法合成核壳型氮化碳的过程中加入维生素B12，成功制备出了单原子负载的中空型氮化碳光催化剂。碳掺杂能够显著提高氮化碳的可见光吸收能力，改善材料的能级结构以获得光全解水能力，单原子也能够提高材料的光生电子-空穴对分离。在光全解水反应过程中，单原子负载的中空型氮化碳能够表现出比块体状氮化碳高10倍的催化活性。

目录

声明

第1 章 绪 论

1.1 引言

1.2 单原子催化的概述

1.2.1单原子催化的发现和前期研究

1.2.2 单原子催化剂的表征

1.2.3 单原子催化的应用——单原子光催化

1.3 单原子光催化的现状与发展

1.3.1以石墨相氮化碳（g-C3N4）为载体的单原子催化剂

1.3.2 其他光催化半导体

1.4碳量子点的性能及其应用

1.4.1 碳量子点的制备

1.4.2 碳量子点的性能

1.4.3 碳量子点的 应用

1.5.1 光催化的概述

1.5.2 光催化全解水的发展

1.5.3 光催化全解水的基本原理

1.5.4 光催化产氧半反应的发展

1.6.1 选题依据

1.6.2 主要研究内容

第2 章 实验方法及表征

2.1 实验原料及设备

2.2.1 透射电子显微镜(TEM)分析

2.2.2 X射线衍射(XRD)分析

2.2.3 傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析

2.2.4 X射线光电子能谱(XPS)分析

2.2.5 热重 (TGA) 分析

2.2.6 原子力显微镜(AFM)表征

2.2.7 紫外-可见吸收光谱(UV-vis)分析

2.2.8 荧光光谱(PL)分析

2.2.9 X射线吸收精细结构谱(XAFS)分析

2.3 材料的光电化学响应表征

2.4 材料性能测试

2.4.1 材料的全解水产氧性能测试

2.4.2 材料的产氧性能测试

2.4.3 材料的光氧化苄胺性能测试

2.4.4 材料的有机染料（罗丹明 B）降解测试

2.5 单原子碳量子点的制备

2.5.1 单原子催化剂 CoSAS@CD和 CoSAS@CD-acid 的制备

2.5.2 TPP@CD和 Co@CD的制备

2.6.1 纳米 SiO2模板的制备

2.6.2 中空型氮化碳 HCNS-n的制备

2.6.3 块体状氮化碳（bulk CN）的制备

第3 章 单原子碳量子点光催化剂的制备及其在光氧化反应中的应用

3.1 引言

3.2 实验结果与讨论

3.2.1 单原子碳量子点的形貌及晶型的差异

3.2.2 单原子碳量子点在成分及含量上的区别

3.2.3 单原子碳量子点的光学性质

3.2.4单原子催化剂的确定（HAADF-STEM、XAFS）

3.2.5 单原子与载体之间的电子转移

3.2.6 单原子对碳量子点电荷分离效率的影响

3.2.8 碳量子点光催化产氧性能的研究

3.2.9 碳量子点光催化苄胺氧化的研究

3. 2.10碳量子点光催化罗丹明 B降解性能

3.3 本章小结

第4 章 单原子负载的中空型氮化碳的合成及其在光解水方面的应用

4.1 引言

4.2 结果与讨论

4.2.1 氮化碳的形貌观察（TEM）

4.2.2 共轭碳对中空氮化碳的结构成分的影响

4.2.4 共轭碳对氮化碳的能级结构的影响

4.2.5 共轭碳和单原子对氮化碳的光电响应性能的影响

4.2.6 光催化水全解测试

4.3 本章小结

结 论

参考文献

附录A 攻读学位期间所发表的论文

致 谢