石墨相氮化碳基Z-scheme复合光催化剂的制备及性能研究

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石墨相氮化碳(g-C3N4),由于其优异的热、物理及化学稳定性,来源丰富和合适的电子能带结构(2.7eV)等特点,被认为是一种廉价、稳定的可见光催化剂,可应用于光解水产氢、有机污染物降解,CO2还原等领域。然而,其比表面积小,可见光响应范围窄,光生电子空穴易复合等缺点严重制约了g-C3N4的实际应用。针对以上问题,本文通过构建新型Z-scheme异质结体系,提高了光生载流子分离效率,进而提高g-C3N4的光催化活性。论文的主要研究内容如下:  (1) 利用化学沉淀法和原位光还原法制备了 AgCl/Ag/g-C3N4复合光催化剂,通过 XRD、SEM、TEM、XPS、UV-Vis-DRS 等一系列表征手段对其组成、结构、形貌和光学性能等进行测试,结果表明粒径尺寸介于5-15nm的Ag/AgCl纳米微粒均匀地分布在层状结构g-C3N4的表面,形成AgCl/Ag/g-C3N4复合物,延长了可见光谱响应范围,提高了光生载流子的分离效率。以Rh B和MO为有机污染物,可见光催化降解实验结果表明,AgCl/Ag/g-C3N4复合物展现了优秀的光催化活性和稳定性。其中,5at%AgCl/Ag/g-C3N4复合物具有最佳光催化活性,光催化降解Rh B反应速率常数分别为g-C3N4和Ag/AgCl的13.6倍和2.4倍。通过活性自由基捕获实验和电子自旋共振测试(ESR)发现超氧自由基(?O2-)和空穴(h+)在该复合光催化体系中起主要作用,且光生载流子的分离与迁移符合Z-scheme机制。  (2)利用化学还原法制备Cu2O/Cu/g-C3N4 NS复合光催化剂,通过XRD、SEM、TEM、XPS、UV-Vis-DRS、PEC等一系列表征手段对其组成、结构、形貌和光电性能等进行测试,结果表明Cu/Cu2O颗粒均匀地分布在层状结构g-C3N4 NS的表面,形成Cu2O/Cu/g-C3N4 NS 类三明治结构,延长了可见光谱响应范围,提高了光生载流子分离效率。以 MO 和苯酚为有机污染物,可见光催化降解实验结果表明,与g-C3N4 NS和Cu/Cu2O催化剂相比,Cu2O/Cu/g-C3N4 NS复合光催化剂展现了更高的光催化活性,且具有良好的稳定性。其中,20at% Cu2O/Cu/g-C3N4 NS 光催化降解MO的反应速率常数最大,为0.1170min-1,分别为g-C3N4 NS和Cu/Cu2O的15倍和4.8倍。通过活性自由基捕获实验和ESR测试发现?O2-和h+在该复合光催化体系中起主要作用,且光生载流子的分离与迁移符合Z-scheme机制。  (3)利用溶剂热法制备了 BiOBr/RGO/pg-C3N4 NS 二维层状异质结光催化剂,通过XRD、SEM、TEM、XPS、UV-Vis-DRS和PEC等一系列表征手段对其组成、结构、形貌和光电性能等进行测试,结果表明二维的RGO,BiOBr纳米片与二维的pg-C3N4 NS通过面面接触的方式紧密的结合在一起,扩大了接触面积,使光生载流子在二维层状异质结中能快速分离和迁移,提高异质结界面光生电子空穴的分离能力。以Rh B和TC为有机污染物,可见光催化降解实验结果表明,与pg-C3N4NS和BiOBr相比,BiOBr/RGO/pg-C3N4 NS复合光催化剂具有更高的光催化活性,优秀的稳定性和强的矿化能力。其中,10at%BiOBr/RGO/pg-C3N4NS光催化降解Rh B的反应速率常数最大,为0.6216min-1,分别为BiOBr和pg-C3N4 NS的8.6和6倍。通过活性自由基捕获实验和ESR测试发现?O2-和h+在该复合光催化体系中起主要作用,且通过ESR和PL测试验证了光生载流子的迁移方式符合Z-scheme机制。
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