卤代氨基苯腈共聚合改性氮化碳光催化剂的合成及其光解水制氢

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自2009年石墨相氮化碳g-C3N4首先被Wang等人作为光催化剂用于光解水制氢以来,作为可见光驱动的催化剂,g-C3N4引起了众多研究者的兴趣。g-C3N4作为非金属光催化剂具有诸多优点,如合适能带结构、易修饰、廉价等。但是g-C3N4光吸收范围窄、光电效率低等缺点仍然制约着其光催化性能的提高。针对g-C3N4的这些缺陷,本文主要从形貌调控、离子掺杂和共聚合改性几个方面开展工作,对g-C3N4进行改性。利用XRD、FTIR、SEM、UV-Vis DRS等手段对改性材料进行结构性质表征,并通过光催化制氢性能测试评价改性材料的光催化活性。主要工作内容如下:(1)利用氨基和腈基的亲电/亲核加成反应,以卤代氨基苯腈为共聚单体,制备了卤代氨基苯腈共聚合改性的氮化碳材料:F-CN、Cl-CN、Br-CN和I-CN。表征分析发现,卤代氨基苯腈共聚合改性的g-C3N4保持了本体g-C3N4的基本化学结构与形貌特征,但改性材料的光电性能有所提升。I-CN的XPS图谱中发现I 3d峰证明了含碘基团接入氮化碳分子骨架中。在负载4wt%Pt、可见光的照射下,F-CN、Cl-CN、Br-CN、I-CN的光催化制氢效率分别为41.46μmol·h-1、49.12μmol·h-1、55.35μmol·h-1和84.15μmol·h-1。相较于本体g-C3N4的13.62μmol·h-1均有提高,且按照卤素原子序数的增加而提高。其中I-CN制氢效率约是g-C3N4的6.18倍。主要原因是I-CN功能基团电负性相较于本体g-C3N4最低,提高了光电效率。同时,碘离子也可能同时对g-C3N4进行离子掺杂改性,产生共聚合改性与离子掺杂的共同作用,提高了其催化活性。再者I-CN光电流大约为g-C3N4的2倍。(2)利用HS-40水溶性硅胶,对氮化碳进行形貌调控,制备多孔共聚合改性氮化碳材料:g-MCN、F-MCN、Cl-MCN、Br-MCN和I-MCN,表征分析发现多孔材料相对于g-C3N4光电性能进一步增强。在可见光照射下,多孔的卤代氨基苯腈共聚合改性g-C3N4制氢性能大幅度的提高,在负载4wt%Pt、可见光的照射下I-MCN样品产氢效率最高,可达到109.12μmol·h-1,高于未经模板造孔的样品I-CN的84.12μmol·h-1,约达到本体g-C3N4的8.3倍。这是因为在共聚合改性的基础上,I-MCN产生了孔结构,增加了比表面积。
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