石墨型氮化碳复合材料的制备及其性能研究

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石墨型氮化碳(g-C3N4)俗称氮取代的石墨,具有堆叠二维片层结构。由于较高的热和化学稳定性,较窄的禁带宽度,新颖的光学和光电化学特性,在催化,能量存储,电化学电池,荧光化学传感器等领域应用前景广泛。由于石墨型氮化碳在可见光区域的光学吸收还不充分,太阳能的利用率相对不高,因此有必要拓展其光学吸收范围,提高石墨型氮化碳的光学吸收率。然而,当前很少有石墨型氮化碳/聚合物复合材料改性禁带宽度的相关研究。此外,石墨型氮化碳还具有其他优异的物理化学性能,其与聚合物复合,改性聚合物的导电,电化学,热稳定性,摩擦学性能,来制备新型石墨型氮化碳复合材料。况且,有关上述石墨型氮化碳复合材料的研究报道也还未出现,所以相关的研究具有非常重要的意义。  本文以聚吡咯和石墨型氮化碳为原料,通过原位化学氧化聚合法制备了可调控禁带宽度的石墨型氮化碳/聚吡咯复合材料,研究其光学性质和禁带宽度,又以罗丹明B作为虚拟污染物考察其光催化活性。结果表明,石墨型氮化碳/聚吡咯复合材料在可见光区域具有较强的吸收,其禁带宽度随聚吡咯的增加,逐渐减小。另外,复合材料对罗丹明B具有较高的光催化活性,当聚吡咯含量为1 wt%时,对罗丹明B的降解率达到88%,降解速率常数是石墨型氮化碳的2.52倍。光致发光光谱揭示,引入聚吡咯,可有效减少电子空穴对的复合。  本文还利用原位化学氧化聚合法制备了聚吡咯/石墨型氮化碳复合材料,考察不同石墨型氮化碳的含量对聚吡咯/石墨型氮化碳复合材料的导电和电化学性能的影响。结果表明,随着石墨型氮化碳含量的增加,电导率呈现先增大后减小的趋势,当石墨型氮化碳含量达到15 wt%时,复合材料的电导率达到最大值(1.85S·cm-1)。电化学测试结果揭示出复合材料具有良好的氧化还原可逆性,当石墨型氮化碳含量为50 wt%时,比电容是纯聚吡咯(58.56 Fg-1)的2.58倍。  本文另以聚酰亚胺和石墨型氮化碳为反应原料,首次尝试热模压成型法制备聚酰亚胺/石墨型氮化碳复合材料,利用热重和摩擦学实验考察复合材料的热稳定性和摩擦学性能。研究表明,石墨型氮化碳有效提高了聚酰亚胺的热稳定性,30 wt%的聚酰亚胺/石墨型氮化碳复合材料表现出较好的摩擦学性能。
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