Ag改性g-C3N4纳米复合材料的设计及光催化还原Cr(Ⅵ)研究

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水体中含六价铬Cr(Ⅵ)污染物会对生物体构成严重威胁。利用太阳能-化学能转化的光催化技术,可以实现将Cr(Ⅵ)还原为低毒的三价铬Cr(III),因其效率高、清洁、环境友好等特点,是非常有应用前景的处理含Cr(Ⅵ)废水的方法。石墨相氮化碳(g-C3N4)是一种新型的无金属半导体材料,具备良好的化学稳定性、制备成本低、合适的禁带宽度(2.7 eV)、可见光响应能力等优势,使其成为光催化领域的热门材料。但是纯g-C3N4存在载流子的高复合率和小的比表面积,导致其光催化活性低,因此对其进一步改性处理来提高光催化性能是必要的。在众多改性方法中,负载单原子Ag、Ag纳米团簇(NCs)、Ag纳米颗粒等Ag基助催化剂备受关注。Ag纳米颗粒以及其他贵金属纳米颗粒独特的局域表面等离子体共振效应(LSPR)使其具有良好的光吸收能力,因而有望提高g-C3N4材料的光催化性能。对于由有机配体保护的金属簇,因其独特的光学性能、环境友好性、生物相容性和良好的催化性能,引起了学者浓厚的研究兴趣。其中将金属纳米团簇负载到g-C3N4形成纳米复合材料并用于催化领域是一个新颖的研究思路。另一方面,凭借低场核磁在顺磁性离子检测方面的应用,有望将低场核磁应用到光催化还原Cr(Ⅵ)为Cr(III)的过程,实现光催化性能的评价,弥补传统紫外吸收谱仪和原子吸收谱仪的检测不足。具体研究内容如下:本文第一部分通过使用简单的浸渍方法将Ag9(H2MSA)7和Ag32(MPG)19纳米团簇(NCs)负载到石墨相氮化碳(g-CN)上以形成Ag9NCs/g-CN和Ag32NCs/g-CN纳米复合材料。系统的研究了制备的光催化样品在可见光照射光催化还原Cr(Ⅵ)水溶液为Cr(III)的性能。所制备的纳米复合材料表现出优异的可见光吸收能力以及加速了光生电子-空穴对的分离和迁移。实验结果表明,与纯g-CN光催化剂相比,Ag9NCs/g-CN和Ag32NCs/g-CN纳米复合的光催化性能得到促进,Ag9NCs/g-CN和Ag32NCs/g-CN的Cr(Ⅵ)还原速率常数分别是纯g-CN的还原速率常数的2.3和2.0倍。本文第二部分以AgNO3为金属源,以g-C3N4为载体,采用简单的硼氢化钠化学还原法制备了一系列不同Ag纳米颗粒含量的Ag/g-C3N4纳米复合材料。对不同担载量的Ag/g-C3N4催化剂在可见光照射下Cr(Ⅵ)还原为Cr(III)的活性性能进行了研究。研究发现,担载Ag助催化剂(负载量分别为1 wt%,2 wt%,5 wt%和10 wt%)可以有效的提高纯g-C3N4材料的光催化降解性能。且担载量为5 wt%时性能最优,为纯g-C3N4的4倍。在此基础上,本文利用原位低场核磁共振(LF-NMR)技术通过对光催化还原Cr(Ⅵ)反应过程进行实时检测,实现了在真实固液环境中研究Cr(Ⅵ)还原过程。通过横向弛豫时间(T2)来量化反应液中顺磁性Cr(III)离子的浓度,首次证实了采用低场核磁共振弛豫法评价光催化Cr(Ⅵ)还原性能的可行性。
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