类石墨型氮化碳基材料的合成及其光催化降解氮氧化物的性能研究

摘要

近年来，快速的工业化文明进程带来了严重的环境问题，特别是因NOx，SOx，VOCsand PM2.5的过度排放而造成的空气污染，危害到自然生态环境及人类的健康安全。为改善这种状况，科学家投入了大量精力来寻求有效的大气污染修复技术，其中光催化技术以其高效、安全及稳定的表现越来越受到人们的关注。该技术可有效地利用太阳能合成具有超高氧化性能的活性自由基，来彻底矿化气相污染物，特别针对空气中的氮氧化物可将其转化为硝酸盐。　　类石墨型氮化碳聚合物（PCN，也被称作g-C3N4）由于其易合成，环境友好，高比表面积，良好的化学稳定性，层状结构以及容易被可见光而激发的窄带隙而受到青睐。虽然氮化碳基光催化剂的开发已经取得了重大的进展，但仍存在一些缺陷，限制了其大规模的应用，主要是电子空穴对复合率高，及可见光吸收利用率低等缺陷。针对氮化碳存在的问题，研究者尝试不同方法来改性氮化碳，以解决其电子空穴对复合率高和光吸收利用率低的问题，通常利用元素掺杂和形貌结构调控来缩小带隙或在带隙中形成新的能级。　　本文以氮化碳为基底，选用两种新方法对其改性。第一种方法是利用其与其他半导体构建异质结，并且使两相界面作用达到最大化。第二种方法是利用一步法同时引入缺陷，表面酸修饰，经过这两种方法改性后可以充分降低光催化剂中电子空穴对的复合率，延长了光生载流子的寿命，提高了可见光催化降解NO的活性。第一种方法实现了N-TiO2纳米颗粒在氮化碳层上的均匀分布以及异质结数目的可控。第二种方法同时实现了硼氢化钠处理可以同时产生N缺陷以及硼酸盐的修饰，此外缺陷与硼酸盐的数量也是可控的。最后利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、紫外可见漫反射光谱(UV)、光致发光光谱(PL)等常规分析仪器分析了催化剂的物相结构，表面形貌，表面元素以及光学性质等。此外，还利用原位红外光谱检测了反应过程中的中间产物和最终产物的转移路径，并解释了NO的氧化机理。此项工作提供了一种全新有效的优化氮化碳基材料的光催化性能的方法，并具有可以规模化应用于大气污染治理的可能性。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1研究背景

1．2氮氧化物污染物的来源

1．2．1自然来源

1．2．2人为污染

1．3氮氧化物污染物的危害

1．3．1环境危害

1．3．2人类健康危害

1．4氮氧化物污染物处理技术

1．4．1气相反应法

1．4．2等离子体活化法

1．4．3固体吸附法

1．4．4液体吸附法

1．4．5生化法

1．4．6光催化法

1．5光催化技术的研究现状

1．5．1光催化基本原理

1．5．2光催化材料的发展

1．5．3光催化技术所面临的挑战与机遇

1．5．4氮化碳基光催化材料的研究进展

1．6研究的目的和意义

1．7课题主要研究内容

第2章实验部分

2．2样品表征测试

2．3活性的评价

2．4原位红外光谱实验

2．5单因素对比试验

第3章N-TiO2／g-C3N4异质结用于探究光催化氧化氮氧化物的机理

3．1引言

3．2光催化剂的制备

3．3结果与讨论

3．3．1 N-TiO2／g-C3N4复合材料的合成与表征

3．3．2形貌结构

3．3．3化学形态

3．3．4实验方法的对比

3．3．5光学性质

3．3．6光催化性能

3．3．7反应机理与路径

3．4本章小结

第4章缺陷硼酸盐共修饰PCN：NO去除，协同效应和反应途径

4．1引言

4．2光催化剂的制备

4．3结果与讨论

4．3．1有缺陷的硼酸盐修饰的PCN的合成和表征

4．3．2光学性质表征

4．3．3光催化活性

4．3．4光催化反应机理

4．3．5原位红外研究光催化NO反应

4．4本章小结

第5章结论与展望

5．1主要结论

5．2创新点

5．3展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间科研成果及获奖情况