石墨相氮化碳的改性及光催化性能的研究

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石墨相氮化碳(g-C3N4)具有类石墨的层状结构,是一种环境友好型光催化剂,容易制得,并且具有合适的禁带宽度。但由于其表面惰性及低的比表面积,限制了其进一步应用。因此,对g-C3N4进行改性成为现今的研究热点。本论文首先选用硫脲(TH)、尿素(CU)、柠檬酸(CA)、醋酸(HAc)作为造孔剂,与三聚氰胺混合,通过原位热聚合法制备了g-C3N4-TH、g-C3N4-CU、g-C3N4-CA、g-C3N4-HAc材料。通过X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)的表征,发现g-C3N4-TH、g-C3N4-CU、g-C3N4-CA、g-C3N4-HAc具有类似的片层结构。紫外-可见漫反射吸收光谱(UV-Vis DRS)得出制备样品的禁带宽度呈现:g-C3N4>g-C3N4-TH>g-C3N4-CU>g-C3N4-HAc>g-C3N4-CA。荧光光谱(PL)及光电流测试分析得出g-C3N4-CU的光生电子-空穴的分离效率要高于g-C3N4。以15 mg/L甲基橙为模拟污染物考察所制备材料的可见光催化性能,结果发现g-C3N4-CU的降解性能最好,相对于g-C3N4的降解效率提高了近三倍。其次,以浓硝酸(NA)对g-C3N4进行处理改性,并考察了时间、温度及浓度对g-C3N4光催化性能的影响,最终筛选出24h、80℃、10 mol/L的最优条件,在此条件下进一步处理g-C3N4-CU制得g-C3N4-CU-NA。通过XRD、SEM、UV-Vis DRS、X射线衍射能谱(XPS)表征发现,g-C3N4-CU-NA相比于g-C3N4片层变薄,紫外可见吸收峰蓝移,禁带宽度有所增大,HNO3不仅仅起到了质子化的作用,同时还起到氧化的作用。通过光降解实验对比,g-C3N4-CU-NA对有机染料MO(15mg/L)的降解效率达到94%,相比g-C3N4降解效率提高了15倍,这可能由于g-C3N4-CU-NA表面官能团以及高的光生电子-空穴的分离效率所致。通过自由基捕获实验分析得到,在光催化过程中·O2-做为降解污染物的主要活性物种,其次是h+,贡献最小的是·OH。最后,为了进一步探索浓HNO3的作用,选用浓HCl、H2SO4对g-C3N4-CU进行处理对比,通过XPS、氨气-程序升温脱附技术(NH3-TPD)、热重分析(TG)表征进一步得出,浓HNO3处理改性g-C3N4-CU-NA材料具有优异的光催化性能的原因是由于浓HNO3既有常规酸的质子化作用,也由于浓HNO3强氧化性修饰了若干酸性含氧官能团以及剥离的作用所致。
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