收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

石墨相氮化碳(g-C_3N_4)及其复合材料的光催化性能研究

夏鹏飞  
【摘要】:能源是人类社会可持续发展的基础。然而,伴随全球化石燃料的消耗以及废弃物释放的增加,能源短缺和生存环境恶化等问题日益突出。光催化技术能够直接将太阳能转化成化学能,以实现太阳能的转化和利用,例如能够将太阳能转换成氢能,将温室气体CO_2还原成为碳氢化合物以及净化含有机污染物的废水等。因此,光催化技术在解决人类所面临的能源和污染问题上显示出极大的应用前景。作为一种新型的非金属光催化剂,石墨相氮化碳(g-C_3N_4)是以均三嗪环为结构基元所构成的类石墨层状材料。g-C_3N_4具有可见光响应、稳定的化学结构、低廉的制备成本、高耐腐蚀性以及独特的电子和能带结构等优点,从而成为可见光催化领域的研究热点材料之一。然而,传统热缩聚法所制备的g-C_3N_4通常表现出前驱体缩聚不完全、微观结构不可控及光生载流子复合效率高等问题,造成较低的光催化活性,从而限制了其广泛应用。为了提升g-C_3N_4的光催化效率,本研究采取了诸如形貌控制、结构纳米化、表面改性以及构建异质结等方法,增加其光能利用率和光催化反应的活性位点,并改善光生载流子的动力学过程。主要内容包括:以三聚氰胺等前驱体直接采用传统热缩聚法所制备的g-C_3N_4,通常具有形貌不可控、结晶度低、载流子复合效率高以及制备过程耗能高等问题。为解决这些问题,采取在乙腈促进的溶剂热条件下,以盐酸胍和双氰胺为前驱体的低温共缩合法,合成了一种具有规整带状形貌,且厚度约为120 nm的氮化碳。这种带状氮化碳同时具有丰富的功能团缺陷和高的晶体有序度,高结晶度提高了电荷的分离和迁移率,而带有功能团的表面缺陷能够促进光吸收、电子存储及二氧化碳结合。晶态氮化碳的表面缺陷能够将气相CO_2高效地光还原成碳氢化合物燃料,并且表现出高的选择性。然而,带状氮化碳仍然面临着比表面积小和CO_2吸附能力不足等问题。为此,采用在氨气氛围中热剥离的方法,将体相g-C_3N_4剥离成厚度约为3 nm的超薄结构,从而获得高比表面积的g-C_3N_4纳米片。所制得的g-C_3N_4超薄纳米片不仅表面被氨基化,而且原来堆藏在体相内部的Lewis碱活性位点(氮原子上的孤对电子)也被充分地暴露出来。因此该g-C_3N_4纳米片对酸性的CO_2分子有较高的吸附量。此外,这种超薄结构极大地缩短了光生电子迁移到表面的距离,能够有效地提升光生载流子的分离与传输效率,从而提升g-C_3N_4的光催化活性。考虑到纯g-C_3N_4只能吸收部分的可见光且光生载流子的分离和传输效率仍然不高,限制了其光催化性能的进一步提升。为此,采用盐酸多巴胺在g-C_3N_4纳米片分散液中自聚合的方法,制备出一系列具有较强可见光吸收的g-C_3N_4/聚多巴胺(g-C_3N_4/PDA)复合光催化剂。盐酸多巴胺前驱体在g-C_3N_4纳米片表面原位缩聚成PDA,从而在g-C_3N_4和PDA界面处形成紧密的π-π*相互作用,相当于构建了电子转移通道,有利于g-C_3N_4的光生电子通过该作用迁移至表面,被助催化剂捕获。研究还发现,g-C_3N_4表面经过PDA改性之后,能够显著抑制助催化剂Pt颗粒在光催化反应中的自然长大;小尺寸的Pt颗粒能够提供更多的不饱和表面原子,增加了反应活性位点,进而提升g-C_3N_4光催化分解水产氢的活性。为进步一提升催化剂中光生载流子的分离和传输效率,构建了零维/二维CeO_2量子点/g-C_3N_4纳米片的Z型异质结。采用离子层吸附反应法在g-C_3N_4表面原位生长出约5.5 nm的CeO_2量子点(QDs),形成了CeO_2 QDs修饰的g-C_3N_4纳米复合材料。这种纳米异质结中的Z型电荷转移机制不仅促进了光生电荷载流子空间上的有效分离和转移,而且其光催化氧化反应和还原反应发生在不同的位置上,使得该Z型光催化体系同时具有强的氧化能力和还原能力。因此,所制备的CeO_2/g-C_3N_4异质结表现出高效的光催化分解水制氢和抗菌活性。此外,密度泛函理论(DFT)计算表明,该异质结中g-C_3N_4组分的碳原子和sp2杂化氮化原子是光催化制氢的活性中心。与零维/二维(0D/2D)Z型异质结相比,二维/二维(2D/2D)Z型异质结具有更大的接触面积,从而能够更加高效地促进载流子的分离和界面反应。因此,在含有表面活性剂和g-C_3N_4纳米片的分散液中,通过离子层吸附反应法在g-C_3N_4纳米片表面原位生长MnO_2纳米片,构建了2D/2D g-C_3N_4/MnO_2 Z型异质结。这种二维异质结不仅能够显著地提升g-C_3N_4的光吸收能力,同时具有较大的比表面积和界面面积,从而促进光生载流子的生成和界面反应。研究发现,该异质结中光生载流子的Z型转移机制,同时实现了载流子在空间上的高效分离和强的氧化还原能力,进而能够产生更多的含氧活性物种。因此,该g-C_3N_4/MnO_2 Z型异质结表现出对罗丹明B和苯酚的高效光降解。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前13条
1 崔言娟;王愉雄;王浩;曹福;陈芳艳;;热聚合硫氰酸铵制备多孔g-C_3N_4纳米片及其可见光催化分解水制氢性能(英文)[J];催化学报;2016年11期
2 石玉;陈芳艳;唐玉斌;施伟龙;郭峰;;碳量子点/g-C_3N_4复合光催化剂的制备及光催化降解四环素性能[J];江苏科技大学学报(自然科学版);2020年02期
3 魏一平;王茗;李海涛;张建;张瑞;;氰基修饰的g-C_3N_4制备及光催化产氢性能[J];人工晶体学报;2020年04期
4 赵宇培;朱玉俊;卢运祥;;两种g-C_3N_4的异质结的第一性原理计算[J];功能材料;2017年09期
5 汪成;任秋燕;潘睿;熊晓;;金属-有机框架材料/g-C_3N_4复合材料在光催化应用中的研究进展[J];化工新型材料;2019年12期
6 田海锋;宋立民;;g-C_3N_4光催化剂研究进展[J];天津工业大学学报;2012年06期
7 丁望;刘素琴;何震;;一步法合成g-C_3N_4纳米片用作苯酚可见光降解高效催化剂(英文)[J];催化学报;2017年10期
8 赵文玉;易赋淘;甘慧慧;张会宁;钱勇兴;靳慧霞;张科锋;;氯掺杂g-C_3N_4纳米片光催化氧化染料污染物与还原六价铬的协同处理研究[J];材料导报;2019年20期
9 刘畅;张志宾;王有群;钟玮鸿;刘云海;;基于g-C_3N_4异质结复合材料光催化降解污染物的研究进展[J];材料导报;2019年S2期
10 苏跃涵;王盈霏;张钱新;陈天生;苏海英;陈平;王枫亮;刘海津;吕文英;姚琨;刘国光;;二维超薄g-C_3N_4的制备及其光催化性能研究[J];中国环境科学;2017年10期
11 王鹏;李政东;薛锦;周颖梅;李昭;;超声-冷冻干燥法制备g-C_3N_4纳米片及其光催化降解性能研究[J];化工新型材料;2019年12期
12 邓细宇;邝鑫雅;字包叶;曾吉阳;马艺文;位海棠;张瑾;柳清菊;;石墨相氮化碳(g-C_3N_4)用于光催化产氢的研究进展[J];功能材料与器件学报;2020年01期
13 尹竞;廖高祖;朱冬韵;卢平;李来胜;;g-C_3N_4/石墨烯复合材料的制备及光催化活性的研究[J];中国环境科学;2016年03期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 陈清;黄贤科;陈南;曲良体;;基于功能化石墨烯的三维g-C_3N_4用于高性能的超级电容器[A];中国化学会第30届学术年会摘要集-第三十九分会:纳米碳材料[C];2016年
2 许晓婵;王靖宇;邹志娟;李涛;;薄层g-C_3N_4纳米片负载TiO_2复合光催化材料[A];中国化学会第九届全国无机化学学术会议论文集——D无机材料化学[C];2015年
3 安祥辉;吴文婷;吴明铂;;镍基化合物/g-C_3N_4的制备及其光催化析氢的应用[A];中国化学会第30届学术年会摘要集-第二十七分会:光化学[C];2016年
4 李慧珺;陈萌;钱东金;;g-C_3N_4纳米棒的无模板合成及其光催化产氢性能的研究[A];中国化学会第30届学术年会摘要集-第四十二分会:能源纳米材料物理化学[C];2016年
5 宋雪欢;邓顺柳;谢素原;郑兰荪;;g-C_3N_4纳米片的溶液相制备与光催化性能研究[A];中国化学会第九届全国无机化学学术会议论文集——k纳米无机化学[C];2015年
6 张雪华;林琳;贺涛;;g-C_3N_4纳米片光催化还原二氧化碳的性能研究[A];中国化学会第30届学术年会摘要集-第二十七分会:光化学[C];2016年
7 李云锋;邢艳;;宏观泡沫状多孔超薄g-C_3N_4纳米片的制备及其光催化制氢性能研究[A];中国化学会第十六届胶体与界面化学会议论文摘要集——第二分会:功能微纳米材料[C];2017年
8 洪远志;时君友;施伟东;;超薄二维g-C_3N_4纳米片的合成及其光解水制氢性能研究[A];2019第三届全国光催化材料创新与应用学术研讨会摘要集[C];2019年
9 郭世恩;江勇;黄宇晴;蒋保江;付宏刚;;磷掺杂的g-C_3N_4六方空心管的构建及光催化性能研究[A];中国化学会第30届学术年会摘要集-第三十六分会:纳米材料合成与组装[C];2016年
10 秦文静;王秋;马凯旋;崔世海;杨静;;改性g-C_3N_4纳米材料的制备及其在光催化降解中的应用[A];中国化学会第30届学术年会摘要集-第二十六分会:环境化学[C];2016年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 夏鹏飞;石墨相氮化碳(g-C_3N_4)及其复合材料的光催化性能研究[D];武汉理工大学;2019年
2 张启涛;高效g-C_3N_4基纳米复合异质结光催化剂的制备及其光催化性能的研究[D];扬州大学;2017年
3 佟振伟;g-C_3N_4基光催化材料微结构调控与性能强化[D];天津大学;2017年
4 王艳杰;二维g-C_3N_4纳米片分离膜的制备、表征及分离性能研究[D];华南理工大学;2017年
5 龚焱;石墨相g-C_3N_4复合光催化剂的制备及其光催化性能研究[D];大连理工大学;2016年
6 赵焕新;基于TiO_2和g-C_3N_4光催化分离膜的制备及水处理性能的研究[D];大连理工大学;2014年
7 高洪林;无机离子修饰提高g-C_3N_4光催化性能的研究[D];南京大学;2014年
8 陈家逸;g-C_3N_4和卤氧化铋基复合光催化剂的构建及降解有机污染物研究[D];华南理工大学;2019年
9 吴思展;类石墨氮化碳(g-C_3N_4)的合成、加工处理、修饰及其光催化性能的研究[D];华南理工大学;2014年
10 杨成武;g-C_3N_4基光催化剂材料的异质结构建与结构缺陷调控[D];燕山大学;2019年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 李凯;g-C_3N_4基纳米复合材料的制备及其可见光催化性能研究[D];鲁东大学;2016年
2 苗继琳;g-C_3N_4纳米片的液相剥离及其光催化性能研究[D];合肥工业大学;2017年
3 李克斌;g-C_3N_4及其复合材料的制备及光催化性能研究[D];南京理工大学;2017年
4 崔利侠;水蒸气活化制备g-C_3N_4纳米材料及其光催化制氢性能[D];安徽大学;2020年
5 施金岑;基于氨基酸型表面活性剂的g-C_3N_4结构的调控及其在光催化中的应用[D];扬州大学;2019年
6 杨状;g-C_3N_4基可见光催化剂净化黄药废水[D];辽宁科技大学;2019年
7 陈纪兵;g-C_3N_4基纳米异质结的制备及光催化分解水制氢性能研究[D];西北大学;2019年
8 王晓雪;Ca@海藻酸微球负载g-C_3N_4和碳纳米管去除水中亚甲基蓝[D];中南林业科技大学;2019年
9 高强;中空管状g-C_3N_4复合材料的制备及可见光催化性能研究[D];长安大学;2019年
10 吴赟炎;石墨相氮化碳g-C_3N_4及其复合材料的制备和光催化抗菌性能研究[D];江苏大学;2019年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 记者 刘霞;科学家利用超薄沸石纳米片造出高效催化剂[N];科技日报;2012年
2 唐芸芸;光催化“治水网”种出“水下森林”[N];无锡日报;2019年
3 本报记者 李波;二维MoS2纳米片研究获突破提振钼业股[N];中国证券报;2013年
4 耿文;光催化打造健康空间 [N];中华工商时报;2003年
5 闵岳;福建推出光催化陶瓷[N];中国建设报;2003年
6 记者 丁佳 通讯员 曾光强;我国学者研制出超薄纳米材料[N];中国科学报;2016年
7 记者 过国忠;用光催化提升水生态系统“体质”[N];科技日报;2019年
8 记者 黄辛;专家称光催化新技术应用前景广阔[N];中国科学报;2018年
9 何召霞 陈镇东;佛山召开光催化发展论坛[N];中国现代企业报;2009年
10 宏济;使用碳基纳米材料对铁矿粉进行冷固结[N];世界金属导报;2019年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978