超分子共聚法制备石墨相氮化碳及其光催化分解水产氢性能研究

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g-C3N4是一种具有化学稳定性和热稳定性以及合适的禁带宽度、可见光响应的新型半导体催化剂材料,在光催化分解水、污染物的降解、还原CO2和抗菌消毒等领域有着广泛的应用。但通常g-C3N4比表面积小,对太阳能的可见光利用率较低,光生载流子易复合,阻碍了电子-空穴的分离和迁移,因此制约了其实际应用。本论文利用不同的溶剂和前驱体单体通过共聚形成超分子结构和热缩聚反应制备了不同形貌结构的g-C3N4,并进行了多种结构表征、光催化分解水产氢性能测试及产氢机理分析。(1)在不同极性的溶剂中采用三聚硫氰酸和三聚氰胺作为前驱体单体,利用前驱体单体的对称性共聚自组装形成超分子结构,再经过热缩聚制备出改性的石墨相氮化碳。同时作为对比,将三聚氰胺单体经过热缩聚合的方法得到块体的石墨相氮化碳,并进行一系列结构和性能表征。SEM和TEM的测试表明,不同的极性溶剂得到的石墨相氮化碳的组成或形貌结构明显不同。再利用光电流,阻抗光谱和荧光光谱分析了石墨相氮化碳的光催化分解水产氢的机理。结果表明乙醇溶剂共聚形成的片状g-C3N4样品(TCN-E)可以提升光生电子的转移传输速率,抑制其复合率,从而提升了光催化效率。(2)用三聚硫氰酸、三聚氰胺和2,4-二氨基-6-苯基-1,3,5-三嗪为前驱体单体,以不同的摩尔比在乙醇溶剂中混合,利用单体的非对称性自组装共聚法形成结构不一的超分子,再经过热缩聚的方法制备了改性的石墨相氮化碳。对其光催化分解水产氢的催化活性进行评价,分析了单体2,4-二氨基-6-苯基-1,3,5-三嗪的量对光催化分解水产氢的影响。通过BET、XPS、荧光光谱和光电化学等一系列测试表征对其催化机理进行了详细分析。结果表明当单体2,4-二氨基-6-苯基-1,3,5-三嗪的含量为10%时,制备的g-C3N4样品(TCNP-10),电子-空穴分离效率更高,复合率更小,样品表面发生反应的活性位点更多,其主要是引入了适量的苯基官能团导致光生电子-空穴的分离和迁移速率增加,抑制了电子-空穴复合率。利用ESR光谱进一步分析了光催化过程中电子-空穴的反应动力学,进一步证实了TCNP-10样品的光催化反应机理。
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