甲醛、乙醛和乙二醛辅助水热增强g-C3N4光催化还原能力的研究

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石墨相氮化碳(g-C3N4)具有无毒、高稳定和低成本的特点,因此在光催化领域引起了广泛的关注。然而,g-C3N4也面临可见光利用率低、光生电子与空穴易复合和光催化还原能力不足等问题。本论文通过合成氮缺陷g-C3N4、碳掺杂和氮缺陷共改性g-C3N4、氧掺杂和氮缺陷共改性g-C3N4三种方式改性g-C3N4进一步提升了g-C3N4的光催化产氢和还原Cr(VI)能力。主要研究内容如下:1.采用甲醛液相化学还原法,利用甲醛在弱酸性溶液中具有弱还原性的特点,合成氮缺陷g-C3N4(FH-g-C3N4),而且产率高。利用元素分析(EA)、电子顺磁共振(EPR)、X射线光电子能谱(XPS)和能谱(EDS)证实了氮缺陷的存在。利用XPS分析了氮缺失在N(C)3晶格点。缺氮位点具有额外的电子,容易捕获光生空穴,有助于减少光生电子和空穴的复合。最佳样品30-CN(30 mL甲醛溶液+30 mL水)光催化还原Cr(VI)活性比H-g-C3N4(60 mL水)和P25(TiO2)都提升了58%,光解水产氢速率(1.323 mmol/g/h)是H-g-C3N4(0.654 mmol/g/h)的2倍。相对于H-g-C3N4,30-CN的光吸收能力更强,导带位置更负,还原能力更强。2.采用乙醛辅助水热法制备新型碳掺杂和氮缺陷共改性g-C3N4(AH-CN),而且产率高。利用EA、EPR、XPS和EDS证实了碳掺杂和氮缺陷的存在。UV-Vis DRS分析表明,相对于H-g-C3N4,AH-CN的带隙减小且对紫外光、可见光光吸收都增强。PL和光电化学分析表明,AH-CN具有较低的光生载流子的复合速率。UV-Vis DRS与XPS价带分析表明,50A-CN具有较负的导带值,因此具有较强的光催化还原能力。最佳样品50A-CN(50 mL乙醛+10 mL水)光催化还原Cr(VI)活性比H-g-C3N4提升了39%,比P25提升了41%。光催化活性的增强是由于氮缺陷和碳掺杂的协同作用。3.采用乙二醛辅助水热法制备新型氧掺杂和氮缺陷共改性g-C3N4(GH-CN),而且产率高。利用EA、EPR、XPS和EDS证实了氧掺杂和氮缺陷的存在。利用XPS分析了氮缺失在NHx晶格点。UV-Vis DRS分析表明,相对于0G-CN(60 mL水),GH-CN的带隙减小和对紫外光、可见光光吸收都增强。PL和光电化学分析表明,GH-CN具有较低的光生载流子的复合速率。最佳样品15G-CN(15 mL乙二醛溶液+45 mL水)光催化还原Cr(VI)活性比0G-CN提升了36%,比P25提升了25%。光催化活性的增强是由于氮缺陷和氧掺杂的协同作用。
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