石墨相氮化碳及其复合物的制备与光催化、气敏性能研究

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石墨相氮化碳(GCN)是一种人工合成的聚合物光催化剂,具有化学稳定性好、生物相容性好和带隙易于调节等优点,得到了材料和医学领域的广泛关注。GCN具有与石墨类似的片层结构,片层内存在共轭大π键、片层上有很多氨基,具有很好的吸附气体能力,再加上其半导体特性,使之在气敏领域有不错的前景。本文以三聚氰胺和乙酸为原材料,在制备了氮化碳微纳米棒(CNMNR),测试了相关结构和性能,通过罗丹明B(RhB)的降解实验评价材料的光催化性能,探讨了光催化活性提高的机理;另外,对GCN进行了复合改性并测试复合材料的光催化性能和气敏性能,对其性能提升的机理进行了探索。主要研究内容包括:(1)以三聚氰胺和乙酸为原材料,通过酸化和水热预制了前驱体,将前驱体在马弗炉中高温煅烧制备了CNMNR,并对其结构、形貌和光电性质进行了表征,对其光催化效果进行了测试。与体相氮化碳(BCN)相比,CNMNR的形貌发生了巨大的改变,比表面积明显增大、带隙却略微减小,光催化性能得到显著提高。在RhB的降解实验中,光照20min后,光催化效果最佳的CNMNR对RhB的降解率高达98%,反应速率常数为0.212min-1,相同时间下BCN对RhB的降解率仅为54%,反应速率常数0.068min-1。CNMNR具有更大的比表面、更宽的可见光响应范围和更低的光生电子和空穴的复合率,所以光催化性能得到了改善。(2)以前文预制的前驱体和氧化石墨(GO)为原材料,通过马弗炉高温煅烧制备了GCN和还原氧化石墨烯(rGO)的复合材料GCN/rGO,并对其结构、形貌和光学性质进行了表征,对其光催化性能进行了测试。与GCN相比,GCN/rGO的带隙和光生电子与空穴的复合率显著减小,光催化效果得到显著提升。在RhB的降解实验中,光照20min后,光催化效果最好的GCN/rGO对RhB的降解率达到了99%,反应速率常数为0.283min-1;相同时间下GCN对RhB的降解率为94%,反应速率常数仅为0.140min-1。GCN/rGO中的异质结是引起带隙减小、光生电子和空穴的复合率降低以及光催化效果提高的主要原因。(3)以前文预制的前驱体和五水合四氯化锡(SnCl4·5H2O)为原材料,在马弗炉中高温煅烧制备了GCN与SnO2的复合材料GCN/SnO2,并对其晶体结构、形貌和光学性质进行了表征,测试了其气敏性能。与GCN相比,GCN/SnO2的导电性得到了大幅改善,比表面积明显增大,气敏性能得到质的改善;与SnO2相比,复合材料中SnO2的尺寸减小且分散性变好,气敏性能也提高。在对乙醇气体的响应实验(300oC、20ppm)中,气敏效果最好的GCN/SnO2的灵敏度达到了13.38,而GCN的灵敏度为1.02(几乎没有响应)。GCN/SnO2对易挥发有机物的选择性明显高于无机气体。SnO2气敏性能的保持、复合材料比表面积的增大、异质结的高灵敏性是复合材料气敏性能的改善的主要原因。
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