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MoS_2-g-C_3N_4复合材料的合成及光催化制氢性能研究

张雪伟  
【摘要】:半导体光催化剂是通过利用太阳光作为光源,驱动一系列氧化-还原反应,将低密度的太阳能转化为高密度的化学能或直接被用来降解有机污染物,被认为是解决能源危机和环境污染等的理想途径。近年来,聚合物石墨相氮化碳(g-C3N4)由于具有合适的带隙(2.7eV),独特的电子能带结构,优异的化学稳定性和热稳定性,被当作是一种廉价的,稳定的可见光型催化剂。广泛应用于太阳能的光催化转化,如光催化分解水制氢制氧、有机污染物的降解等。 然而,基于传统的g-C3N4光催化剂存在的比表面积小,光生电子-空穴容易复合,光催化活性低等因素。为进一步提高g-C3N4的光催化效果,本文采用廉价易得的尿素和二氰二胺为前驱体,以尿素为气泡模板,基于前驱体自身缩聚的热解法合成了多孔g-C3N4粉末。利用乙二醇作为溶剂采用溶剂热法,将不同含量的MoS2担载在其表面,由于二者的协同作用,形成了密切的纳米异质结构,从而制备了一系列MoS2-g-C3N4复合光催化材料。运用透射电子显微镜(TEM)和元素分布(mapping)分析、X射线衍射(XRD)能谱、傅里叶红外变换光谱(FT-IR)、物理吸附仪(N2-BET)、EA元素分析、电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP-AES)、X射线光电子(XPS)能谱、紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)和光致激发光谱(PL)等分析了材料的形貌、晶相、结构和光学性能;以可见光催化分解水制氢来评价其光催化性能;并考察了MoS2,焙烧温度对光催化活性的影响,探讨光催化性能的影响因素和规律。 论文的主要研究成果包括: (1)以尿素和二氰二胺为原料,制备了多孔g-C3N4。通过溶剂热方法担载MoS2对其进行改性,制备了MoS2-g-C3N4复合光催化材料。光催化性能结果显示,复合材料的光催化效果明显提高,MoS2的含量,焙烧温度存在最佳值。其中,在600℃条件下,以5℃/min升温速率合成的g-C3N4当担载4wt%的MoS2显示最高的光催化活性,可见光下分解水产氢速率为43.64umolh-1。通过循环实验可得,MoS2-g-C3N4复合材料显示良好的稳定性。 (2)表征结果显示,MoS2-g-C3N4复合材料形成了密切的纳米异质结构,溶剂热处理后,复合材料进一步热解缩聚,样品的结晶度、碳氮比、比表面积和孔体积都增大,材料的禁带宽度变宽。 (3)提出一个简单的光催化机理,光催化活性的提高归因于MoS2与g-C3N4协同作用形成的异质结构,以及MoS2作为电子捕获剂,可有效分离光生电子和空穴,降低电子-空穴对的复合效率,进而提高光催化活性。本研究可为复合光催化剂的合成提供一种新的简易操作方法,并为实用性功能材料提供一定借鉴。


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