【摘 要】
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世界经济与科学技术的快速发展,消耗了大量化石燃料,排放了许多污染物到环境中。能源危机与环境污染严重限制全球的可持续发展。人们认为可见光驱动的半导体光催化技术是解决能源危机和环境污染有前景的途径之一。石墨相氮化碳(CN)是一种具有可见光响应、无金属成分的半导体光催化剂,具有环境友好、物理和化学稳定性良好、原材料便宜易得等优点,广泛应用于污染物降解、光催化制氢、二氧化碳还原、有机转化等方面。然而,它存
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世界经济与科学技术的快速发展,消耗了大量化石燃料,排放了许多污染物到环境中。能源危机与环境污染严重限制全球的可持续发展。人们认为可见光驱动的半导体光催化技术是解决能源危机和环境污染有前景的途径之一。石墨相氮化碳(CN)是一种具有可见光响应、无金属成分的半导体光催化剂,具有环境友好、物理和化学稳定性良好、原材料便宜易得等优点,广泛应用于污染物降解、光催化制氢、二氧化碳还原、有机转化等方面。然而,它存在比表面积小、可见光吸收不足、光生载流子复合严重等问题严重制约其光催化应用。研究者们开发了一系列策略,如元素掺杂、形貌调控、构建异质结、有机小分子共价修饰等,对CN进行改性提高其光催化活性。本论文主要研究菲罗啉-Fe(Ⅱ)配合物、2,9,16,23-四羧基铁(Ⅲ)酞菁(FePc)、5-磺酸-8-羟基喹啉-Fe(Ⅲ)配合物(SQ-Fe(Ⅲ))共价修饰的CN基光催化剂的合成及光催化还原硝基苯类衍生物的性能。相关工作如下:1.通过菲罗啉和三聚氰胺热聚合,并进一步与Fe(Ⅱ)配位制备菲罗啉-Fe(Ⅱ)配合物共价修饰的CN光催化剂(P-CN-X-Fe)。表征结果表明,菲罗啉-Fe(Ⅱ)配合物成功地共价修饰到CN骨架上。其中,P-CN-8-Fe光催化还原对硝基苯酚(p-NP)为对氨基苯酚(p-AP)的转化率为97%,是原始CN(6%)的16倍。该光催化剂在光催化还原硝基苯类衍生物方面具有良好的普适性。基于确定的能带结构,提出P-CN-8-Fe光催化还原p-NP可能的机理。2.通过热聚合法制备FePc共价修饰的CN(CN-FePc-X)。表征结果证明FePc通过酰胺键与CN共价连接。与CN(17%)相比,CN-FePc-1(98%)光催化还原p-NP转化率提高5倍,并且该光催化剂具有良好的光催化稳定性和耐久性。基于计算的能带结构,提出CN-FePc-1光催化还原p-NP可能的机理。3.将SQ与三聚氰胺热聚合,进一步通过配位键与共价键将Fe(Ⅲ)稳定于SQ与CN构成的“N空腔”中,得到改性光催化剂CN-SQ-X-Fe。表征结果证明SQ-Fe(Ⅲ)配合物通过磺酰胺键共价修饰CN。CN-SQ-2-Fe光催化还原p-NP的转化率为97%,相对于CN(8%)提高11倍。该光催化剂对其他硝基苯类衍生物表现出良好的催化活性。基于确定的能带结构,提出CN-SQ-2-Fe光催化还原p-NP可能的机理。最后,本研究对P-CN-8-Fe、CN-FePc-1以及CN-SQ-2-Fe的光催化性能和光催化动力学进行比较,分析了产生不同催化活性的可能原因。
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