改性石墨相氮化碳的制备及其光催化性能研究

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近年来,非金属半导体光催化逐渐成为全球光催化研究领域的热点。与传统的金属氧化物半导体相比,石墨相氮化碳(g-C3N4)作为一种非金属催化剂,具有特殊的三嗪环单元结构、毒性低、稳定性好等优点受到广泛关注,在环境修复和环境能源方面开展了大量研究。然而,其体相光生电子-空穴对复合率高、可见光量子效率低等缺陷极大地限制了其在环境领域中的应用。因此,本文通过研究g-C3N4的改性制备方法,拓宽其可见光吸收范围,促进光生载流子的分离效率,从而进一步提升g-C3N4对有机难降解污染物罗丹明B(RhB)和诺氟沙星(NOR)的光催化降解活性。
  (1)本文以三聚氰胺为反应物,通过简单的热缩合方法成功地合成了具有氮缺陷的P-Cl共掺杂g-C3N4纳米片。采用XRD、FT-IR、XPS、BET、TEM、SEM、DRS和PL等多种表征方法对纳米复合材料的微观结构、晶体形态、元素的化学价态、降解稳定性等进行了分析和评价。分析结果表明,Cl原子和P原子的掺杂引入改变了g-C3N4的电子结构和光学性质,掺杂所产生的表面氮缺陷、增加的孔隙结构和比表面积,有效促进了的活性位点的生成,同时也增加了光生电子-空穴对的分离和迁移效率。所制备的P-Cl共掺杂g-C3N4纳米片在可见光下对RhB和NOR均显示出了优异的光催化降解性能,其光催化反应速率常数分别是g-C3N4的5.9和2.0倍,同时材料具有良好的催化降解稳定性。
  (2)本文通过简单的一步热缩合法制备了纳米洋葱碳改性氮化碳复合光催化剂(CN-CNO),采用了多种表征手段对复合材料CN-CNO的微观结构和化学组成进行了分析,并通过不同污染物降解实验评价了改性前后的光催化剂活性。研究结果表明,CN-CNO复合材料与单一氮化碳相比,催化活性显著提升,CN-CNO光催化性能的提高主要归因于:一是由于复合材料对光的吸收性能的提高,二是由于纳米洋葱碳与氮化碳复合材料界面之间异质结的形成使得电子传输和迁移能力提高,抑制了电子空穴的复合。在可见光照射下,CN-CNO复合材料对RhB和NOR的降解率明显提高,反应速率常数约是CN的2倍。自由基捕获试验中可以确定CN-CNO复合材料在降解有机污染物的过程中起作用的主要活性基团是h+、?O2?和?OH。
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