氮、硫掺杂石墨烯量子点/二氧化钛复合材料的光催化性能研究

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全球工业快速发展的背后是日益严重的环境问题。工业废水和有机染料的大量排放已经造成了严重的水污染。二氧化钛(TiO2)得益于其廉价、强氧化性、无毒及耐腐蚀等众多优势,使其被广泛应用到光催化等领域。然而,TiO2禁带宽度较窄(3.0-3.2 e V),只能吸收小于380 nm的紫外光。另一方面,TiO2的电子在被光照激发后,不能高效地传递到材料表面,更多的光生电子会与空穴复合,导致电子-空穴复合率较高,也限制了光催化性能。石墨烯量子点(GQDs)是一种准零维材料,因其纳米量级的尺寸具有量子局限效应,因此,GQDs也具有优越的电学、光学及磁学等多方面的性能。GQDs与石墨烯不同之处在于GQDs具有带隙,能够在外界条件激发下产生电子跃迁,具有半导体性质。研究报道指出GQDs由于其独特的电子能带结构使之具有优异的催化性能。已有文献报道可以通过制备TiO2/GQDs复合材料来提高材料整体的催化性能。然而,目前的研究尚有许多需要改进之处,如:简便的合成方法、减少副产物以及降低成本等。基于以上考虑,我们采用“自下而上”的方式,使用成本低廉的P25作为钛源、柠檬酸为碳源、硫脲为氮、硫源,合成氮、硫共掺杂石墨烯量子点/二氧化钛纳米管(N,S-GQDs/TiO2NT)纳米复合材料。主要研究内容如下:1.我们合成了二氧化钛纳米管-石墨烯-氮、硫掺杂石墨烯量子点三元复合材料(TiO2NT+rGO+N,S-GQDs)。首先,采用改进的Hummers法制备氧化石墨(GO)。GO和P25按照不同质量比:5:95、10:90、15:85进行水热反应,得到TiO2NT+rGO二元材料。通过可见光下降解甲基橙(MO)表征其光催化性能,TiO2NT+10%rGO表现在最佳光催化性能。所以,将TiO2NT+10%rGO与N,S-GQDs复合,得到最终的TiO2NT+10%rGO+N,S-GQDs三元复合材料,其催化反应速率是TiO2NT+10%rGO的1.8倍,是P25的16.3倍。2.我们通过一步溶剂热的方法合成了带隙可调的氮、硫掺杂二氧化钛/石墨烯量子点二元复合材料(NSTG)。我们通过改变柠檬酸和硫脲的摩尔比例来调控掺杂剂的量,摩尔比按照:1:0.5、1:1和1:3。通过XPS VB谱表征复合材料价带的位置。我们发现通过改变掺杂剂的量可以调控体系的价带位置。通过可见光照射下降解亚甲基蓝(MB)的实验表征其光催化性能,NSTG(1:1)样品表现出了最佳的光催化活性,其反应速率为氮、硫掺杂二氧化钛(NST)的2.4倍,为纯P25的50.7倍。
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