碳自掺杂g-C3N4光催化性能的原位光微量热-荧光光谱研究

摘要

通过在尿素前驱体中添加单宁酸,原位缩聚形成碳自掺杂石墨相氮化碳(g-C3N4).利用X射线光电子能谱(XPS)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)、X射线衍射(XRD)仪和同步热分析(TG-DSC)等方法对碳自掺杂g-C3N4的形貌、物相结构和能带价态组分进行表征分析,结合紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)和原位光微量热-荧光光谱联用仪获得碳自掺杂g-C3N4降解罗丹明B的原位热/动力学信息和三维荧光光谱信息,探讨了光催化降解罗丹明B的微观机制.结果表明,单宁酸浓度≤10 mg/mL时,碳会取代七嗪单元结构的氮原子形成g-C3N4骨架碳自掺杂;单宁酸浓度≥20 mg/mL时,碳以无定形形式沉积负载在g-C3N4表面上形成无定形碳自掺杂.骨架碳自掺杂g-C3N4形成的π电子有效缩短了禁带宽度,减小了光生电子-空穴复合几率,比无定形C掺杂g-C3N4显示出更优异的光催化性能,催化主要活性物种为h+和·O-2.碳自掺杂g-C3N4光催化降解过程可分为光响应吸热、降解污染物放热平衡过程和稳定放热3个过程.其中骨架碳自掺杂g-C3N4(C/N摩尔比为0.844)在光照1000 s内,三维荧光光谱检测的RhB降解率锐减,光照1000 s后,其RhB降解率为87.6％,分别是原始g-C3N4和无定形碳自掺杂g-C3N4的3.13倍和1.95倍.光照1000 s后,光微量热计显示以矿化和降解非荧光发色中间产物为主,并保持以热变速率为(0.9799±0.5356)μJ/s稳定放热,为拟零级反应过程,是光催化反应的决速步骤.