论文部分内容阅读
能源危机和环境污染是近年来制约人类持续健康发展的两个重要问题,为了解决这两个问题,人们将眼光投向了新型清洁能源---太阳能。因此,利用太阳光的半导体光电催化技术应用而生,尤其是光催化降解污染物和光电水分解领域的研究报道较多。光电催化的核心是寻找合适半导体材料,自光催化剂TiO2被首次报道以来,人们已经陆续探索了大量的光催化材料。近年来g-C3N4这种半导体材料由于其合适的能带位置、较好的带隙宽度以及廉价易得等优点赢得了人们极大的研究兴趣。不过其较低的可见光吸收强度和载流子容易复合等缺点,在一定程度上限制了g-C3N4的应用。LDH（Layered Double Hydroxides,层状双金属氢氧化物）是一种二维结构阴离子黏土材料,特别是含有过渡金属元素的LDH及其煅烧产物MMO（Mixed metal oxide,混合金属氧化物）,由于具有独特的化学结构（二维层状）、化学组成易调控和较好的催化活性等优点,使得它们被广泛应用于光电催化领域。基于此本文以g-C3N4为基体,通过引入LDH有望提高g-C3N4的光电催化性能。因此,分别制备了g-C3N4/ZnCr-LDH纳米复合材料和g-C3N4/ZnCr-MMO薄膜光电极,系统地考察了上述材料分别在光催化降解污染物和光电催化水分解方面的光电催化性能。具体研究内容及结果如下:（1）g-C3N4/ZnCr-LDH复合材料制备及光催化降解甲基橙废水以尿素热解制备的体相g-C3N4为基体材料,通过原位合成的方法引入ZnCr-LDH,制备了一系列不同配比的g-C3N4/Zn Cr-LDH（简写为x-CN/LDH,x=0.46、0.69、0.92、1.15、1.38 g）纳米复合材料,采用XRD、TEM、FT-IR、SEM、XPS、DRS、PL及电化学测试等手段对复合材料的形貌、结构及光电化学性质进行了表征,并通过可见光降解甲基橙废水评价了光催化性能,最后结合捕获剂实验探究了可能的光催化机理。结果表明,g-C3N4与ZnCr-LDH的复合使得吸收光谱有所蓝移,显著增强了可见光的吸收强度,有效抑制光生电子-空穴的复合,从而提高了复合光催化剂的活性。0.92-CN/LDH材料展现了较大的光电流密度（1.5μA/cm2）和较小的界面传荷电阻,同时降解甲基橙的效率在两小时达到了97%,比纯的g-C3N4提高了2倍。经过5次连续循环实验发现,复合光催化剂的降解活性仍保持在80%以上,表明复合材料具有良好的稳定性。通过捕获实验发现在催化剂降解甲基橙过程中起主要作用的活性基团是h+和·OH,其中h+作用较为明显,并探讨了其可能的降解机理。（2）g-C3N4/ZnCr-MMO薄膜光电极的制备及光电催化水分解以LDH材料为前驱体,采用两步电化学方法制备了不同沉积时间g-C3N4/ZnCr-MMO（简写为x-CN/MMO,x=30、60和90 min）异质结薄膜光电极,通过XRD、SEM、EDS、DRS、PL和电化学方法对其形貌、结构、光学和电化学性质等进行了表征,并在可见光下对其光电催化水分解性能进行分析,最后对此光电极PEC水分解机理进行了初步的探究。所得结果表明,通过电化学方法制备的CN/MMO复合薄膜材料的可见光响应强度增大,明显促进了载流子的分离效率;PEC性能分析表明,60-CN/MMO薄膜光电极有较低的塔菲尔斜率（67 mV/dec）,光电流达到了70μA/cm2（g-C3N4的33倍）,在0.8V vs AgCl的电压下,复合薄膜的光电流密度高达0.75mA/cm2,而且具有较低的起峰电位,所有的这些都表明复合薄膜材料具有较好的光电催化水分解性能;通过循环伏安扫描显示,50圈后电流密度基本没有衰减,表明薄膜电极具有较好的光电化学稳定性;最后结合莫特-肖特基曲线,提出了可能的光电水分解过程的电荷转移机理。