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石墨相氮化碳的表面非共价修饰与聚集度调控研究

李鑫  
【摘要】:石墨相氮化碳(g-C3N4)以其具有环境友好、组成元素含量丰富、制备简单、原料廉价和可规模化制备等优势,成为当今可见光半导体材料研究的重点,但g-C3N4的结构特点导致其光电流响应偏低,其光催化降解有机污染物和光催化分解水制氢反应的效率不高。通过自组装的方式在g-C3N4表面修饰具有反应活性的化合物或活性基团实现g-C3N4的表面功能化,是提高其光催化和化学催化活性的重要途径之一。本论文探索了g-C3N4的表面修饰及功能化新途径,对于将g-C3N4应用于降解印染废水方面具有实际意义。主要研究工作包括:铁-磷钨酸配合物(Fe-PW)依靠非共价的超分子作用力作用在g-C3N4表面对其进行功能化,修饰后g-C3N4的光催化效率和循环稳定性明显提高。在模拟太阳光条件下,Fe-PW/g-C3N4催化剂对100 mL 10 mg/L罗丹明B(RhB)的光降解效率是纯g-C3N4的1.75倍,并且经过5次循环之后,仍可以在25分钟之内,将RhB降解完全;太阳光条件下,Fe-PW/g-C3N4催化剂在15分钟内对100 mL 10mg/L甲基橙(MO)的降解率达到100%,而纯g-C3N4体系在30分钟内对相同体系MO的降解率仅为50%。经过4次循环之后,25分钟时MO的降解率为100%,在太阳光或模拟太阳光条件下,Fe-PW/g-C3N4超分子杂化催化剂对RhB和MO的降解活性都有显著提升,同时又保持了良好的循环稳定性。通过二茂铁鎓离子、Fe(III)-羧酸配合物自组装在g-C3N4表面,并通过光催化反应考察其修饰效果。模拟太阳光下,二茂铁鎓离子/g-C3N4超分子杂化催化剂降解MO(10 mg/L)的光催化效率是g-C3N4的1.67倍。模拟可见光下,Fe(III)-Cit/g-C3N4、Fe(III)-C2O4/g-C3N4超分子杂化催化剂对RhB(10 mg/L)的光催化效率较纯g-C3N4均提高了1.1倍。这表明,二茂铁鎓离子、Fe(III)-羧酸配合物非共价修饰g-C3N4,可以实现g-C3N4的表面功能化,反应位点增加、光催化活性及循环稳定性提高。通过改变升温速率制备出了不同聚合度的g-C3N4,探索了在不同聚合度下g-C3N4光催化分解水制氢能力的变化。实验结果表明,在模拟太阳光下,TEOA为牺牲剂,负载贵金属Pt时,g-C3N4的聚合越大,其产氢能力越强。


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