RGO/g-C3N4/MoS2复合材料的制备及其光催化性能

通过热解-水热两步法制备了石墨烯/石墨相氮化碳/二硫化钼(RGO/g-C_3N_4/MoS_2)复合材料并使用多种分析表征手段对RGO/g-C_3N_4/MoS_2的结构、形貌及光催化性能进行分析。结果表明,具有异质结构的g-C_3N_4/MoS_2与RGO复合后,通过良好的界面接触和电荷的快速转移,增强了其光生电子-空穴的分离。经可见光照射120 min后,RGO/g-C_3N_4/MoS_2复合材料可降解97%亚甲基蓝。此外,循环实验表明RGO/g-C_3N_4/MoS_2复合材料具有良好的稳定性,经5次循环仍能保持93.2%的光催化活性。     

凹凸棒石/g-C3N4-AgFeO2复合材料制备及其光催化性能

以凹凸棒石(简称凹土,ATP)为基体,通过原位化学法一步直接合成g-C_3N_4薄层材料,并将其有效固载于凹土表面(ATP/gC_3N_4),再通过原位沉淀法引入不同比例AgFeO_2纳米颗粒,构筑系列兼具磁分离特性和高效光催化活性的ATP/g-C_3N_4-AgFeO_2-Y复合光催化剂(Y=wATP/g-C_3N_4/(wATP/g-C_3N_4+wAg FeO_2)×100%,表示ATP/g-C_3N_4在ATP/g-C_3N_4-AgFeO_2复合材料中所占的质量百分数)。采用XRD、SEM、BET、UV-Vis、PL和ICP表征其结构和物化性能,以酸性红G(ARG)为目标降解物,研究其光催化性能。研究发现:通过形成Si-O-C键,g-C_3N_4薄层被均匀固定在凹土表面;AgFeO_2纳米颗粒均匀沉积于ATP/g-C_3N_4表面并形成Z型异质结,ATP/gC_3N_4-AgFeO_2-Y具有比ATP/g-C_3N_4和AgFeO_2更优异的可见光光催化性能,且随着ATP/g-C_3N_4含量的增大呈先升高而后下降的趋势;当Y=57%时复合材料的性能最佳,ATP/g-C_3N_4-AgFeO_2-57%对20 mg·L-1酸性红G的降解率可达97.4%,循环4次使用后,降解率仍保持94.2%。通过自由基捕获实验研究了光催化反应机理,发现·O2-是光催化过程的主要活性物种。     

SiW_(12)/g-C_3N_4纳米复合材料的制备及光催化活性

采用浸渍法成功地将硅钨酸(SiW_(12))负载到g-C_3N_4表面,制备出一种新型的SiW_(12)/g-C_3N_4复合光催化剂.通过X-射线衍射(XRD)、红外光谱(FT-IR)、扫描电子显微镜(SEM)、荧光光谱(PL)和紫外-可见分光光度计(UV-Vis)等测试手段对其结构和性能进行表征.光催化实验表明,在可见光照射下(λ420nm),SiW_(12)/g-C_3N_4复合材料表现出比纯gC3N4更高的光催化性能.其中,SiW_(12)/g-C_3N_4(质量比为1∶3)复合材料具有最好的光催化活性,在可见光下辐照120 min时,RhB的脱色率达98.0%.若加入H_2O_2(2 mL,质量分数为30%)进行修饰,仅在可见光下辐照24min,RhB的脱色率就达到97.7%.SiW_(12)/g-C_3N_4复合材料光催化活性的提高归因于光生电子-空穴对的有效分离.此外,由H_2O_2分解产生的氢氧自由基(·OH)也起到了至关重要的作用.     

Cu~(2+)改性g-C_3N_4光催化剂的光催化性能（英文）

本文通过将Cu~(2+)掺入g-C_3N_4结构中成功制备了Cu/g-C_3N_4光催化剂,并进一步优化其光催化性能。同时,采用多种表征方法对Cu/g-C_3N_4光催化剂的结构、形貌、光学和光电性能进行了分析。X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)结果表明制备的光催化剂为Cu/g-C_3N_4,且Cu的价态为+2。在可见光照射下,研究了不同铜含量的Cu/g-C_3N_4和gC_3N_4光催化剂的光催化活性。实验结果表明,Cu/g-C_3N_4光催化剂的降解能力显著高于纯相的g-C_3N_4。N_2吸附-解吸等温线表明,Cu~(2+)的引入对g-C_3N_4的微观结构影响不大,说明光催化活性的提高可能与光生载流子的有效分离有关。因此,Cu/g-C_3N_4光催化降解RhB和CIP性能的提升可能是由于Cu~(2+)可以作为电子捕获陷阱从而降低了载流子的复合速率。通过光电测试表明,在g-C_3N_4中掺入Cu~(2+)可以降低g-C_3N_4的电子空穴复合速率,加速电子空穴对的分离,从而提高了其光催化活性。自由基捕获实验和电子自旋共振(ESR)结果表明,超氧自由基(O_2~(·-))、羟基自由基(·OH)和空穴的协同作用提高了Cu/g-C_3N_4光催化剂的光催化活性。     

高光催化活性的磷氧桥连TiO_2/g-C_3N_4纳米复合体的合成（英文）

石墨型氮化碳(g-C_3N_4)是一种新型非金属聚合物半导体材料,具有合理的能带结构、较好的稳定性及卓越的表面性质,因而受到了人们的广泛关注.目前,它作为光催化剂在降解污染物、光催化分解水产氢和光催化还原CO2方面正呈现出巨大的应用潜力.然而,g-C_3N_4可见光响应范围窄、比表面积较小、尤其是光生载流子易复合等缺陷制约着其光催化活性的进一步提高.针对以上问题,人们对g-C_3N_4进行了大量的改性研究,其中构建能级匹配的纳米半导体/g-C_3N_4异质结复合体是常用的有效改善g-C_3N_4光生电荷分离进而提高其光催化活性的手段.但现有相关文献往往忽略了复合体界面接触情况对光生电荷转移和分离的影响,从而在一定程度上影响对光催化性能的改善.本课题组前期工作表明,通过磷氧、硅氧功能桥的建立可加强TiO_2/Fe2O3,Zn O/BiVO_4纳米复合物的界面接触,从而促进光生电荷的迁移和分离,进而进一步提高纳米复合体的光催化活性.这样,通过构建磷氧桥有望改善TiO_2和g-C_3N_4的紧密连接,以促进光生电子由g-C_3N_4向TiO_2的迁移、改善光生载流子的分离,进而更加显著地提高g-C_3N_4的光催化活性.但是相关工作至今尚未见到报道.为此,本文通过简单的湿化学法成功地合成了磷氧(P–O)桥连的TiO_2/g-C_3N_4纳米复合体,并研究了P–O功能桥对TiO_2/g-C_3N_4纳米复合体光生电荷分离及其对光催化降解污染物及还原CO2活性的影响.结果表明,g-C_3N_4与适量的纳米TiO_2复合,尤其是g-C_3N_4与适量P–O桥连TiO_2的复合可进一步提高g-C_3N_4的光催化活性.基于气氛调控的表面光电压谱和光致发光谱等的分析,P-O桥连可促使g-C_3N_4的光生电子由g-C_3N_4向TiO_2转移,极大地促进了g-C_3N_4的光生电荷分离,因而使纳米复合体光催化活性大幅提高,其光催化降解2,4-DCP及还原CO2活性均为g-C_3N_4的3倍.此外,自由基捕获实验表明,·OH作为空穴调控的直接中间产物,其对2,4-DCP的降解起主导作用.     

NiS_2助剂修饰g-C_3N_4光催化剂的简易合成及光催化制氢性能增强研究（英文）

g-C_3N_4是一种新型的稳定的半导体光催化材料,它可以通过热缩聚法、固相反应法、电化学沉积法和溶剂热法等制备.g-C_3N_4禁带宽度约为2.7 eV,吸收边在460 nm左右,具有合适的导带位置,可用作可见光响应制氢的光催化材料,但在实际应用中g-C_3N_4光催化性能较低,其原因可归纳为:(1)g-C_3N_4在吸收光子产生电子和空穴对后,光生载流子的传输速率较慢,容易在体相或表面复合,致使g-C_3N_4的量子效率较低;(2)材料在合成过程中易于结块,使g-C_3N_4的比表面积远小于理论值,严重削弱了g-C_3N_4光催化材料的制氢性能.目前已有很多关于g-C_3N_4改性的报道,但一些方法对材料的处理过程耗时较长或者合成过程较难控制.用助剂改性是提高光催化制氢活性的半导体材料的主要策略之一.合适的助剂可改进电荷分离和加速表面催化反应,从而提高光催化剂的制氢活性.虽然稀有金属或贵金属,如铂、金和银可大大提高g-C_3N_4的制氢速率,但由于其昂贵和稀缺性,因而应用严重受限.因此,开发成本低、储量丰富、高性能助剂来进一步提高制氢性能具有重要意义.NiS_2来源丰富、价格低廉.它可在酸性和碱性的环境保持相对较高的稳定性,且其表面电子结构表现出类金属特性.但它较难与半导体光催化剂形成强耦合和界面,通常需要水热等条件下合成.实验表明,g-C_3N_4表面存在着大量的含氧官能团及未缩合的氨基基团,为表面接枝提供了丰富的反应活性位点,因而可利用g-C_3N_4表面均匀分布的含氧官能团等和Ni~(2+)结合,再原位与S~(2-)反应,从而在g-C_3N_4上负载耦合紧密的NiS_2助剂,进一步提高复合材料的光催化制氢活性.本文采用低温浸渍法制备了NiS_2/g-C_3N_4光催化剂.NiS_2助剂在温和的反应条件下与g-C_3N_4光催化剂复合,可以防止催化剂结构的破坏,同时使得助剂均匀地分散,并紧密结合在催化剂表面,从而大大提高光催化剂的制氢性能.该样品制备过程为:(1)通过水热处理制备含氧官能团和较大比表面积的g-C_3N_4;(2)添加Ni(NO_3)_2前驱体后,Ni~(2+)离子由于静电作用紧密吸附在g-C_3N_4表面;(3)在80℃加入硫代乙酰胺(TAA),可在g-C_3N_4的表面紧密和均匀形成助剂NiS_2.表征结果证实成功制备NiS_2纳米粒子修饰的g-C_3N_4光催化剂.当Ni含量为3 wt%,样品表现出最大的制氢速率(116μmol h~(-1)g~(-1)),明显高于纯g-C_3N_4.此外,对NiS_2/g-C_3N_4(3 wt%)的样品进行光催化性能的循环测试结果表明:该样品在可见光照射下可以保持一个稳定的、有效的光催化制氢性能.根据实验结果,我们提出一个可能的光催化机理:即NiS_2促进了物质表面快速转移光生电子,使g-C_3N_4光生电荷有效分离.基于NiS_2具有成本低和效率高的优点,因而有望广泛应用于制备高性能的光催化材料.     

原位聚合PPy/g-C_3N_4复合物增强可见光催化性能（英文）

近年发展起来的低能耗、高效率的光催化技术为解决环境污染和能源短缺等问题提供了新途径.在众多光催化材料中,非金属石墨相氮化碳(g-C_3N_4)半导体材料因其化学稳定性和热稳定性优异、能带结构易调控、前驱体价格低廉等特点备受关注.然而,g-C_3N_4的光生电子-空穴对极易复合,比表面积较小,不能充分利用太阳光等,因而其光催化活性较低.目前,为了提高g-C_3N_4光催化性能,多采用金属或非金属元素掺杂、与其他物质形成异质结、与其他半导体材料进行共聚合等方式.其中,共聚合有利于调节g-C_3N_4内部电子结构,促进g-C_3N_4光生载流子的分离与迁移,而且具有高度离域π-π*共轭结构的导电聚合物更适合与g-C_3N_4进行共聚合,从而进一步提高g-C_3N_4的光催化性能.本文采用原位聚合法制备合成了导电聚吡咯(PPy)与g-C_3N_4的复合材料,并以10 mg L.1亚甲基蓝(MB)作为目标污染物评价其可见光催化性能.经X射线衍射、扫描电镜、透射电镜、比表面积、紫外-可见光谱等一系列表征分析可知,PPy/g-C_3N_4复合物(002)晶面衍射峰强度较g-C_3N_4减弱,表明PPy抑制了g-C_3N_4晶型生长,但未影响其晶型结构.不规则薄片状g-C_3N_4表面均匀地负载有非晶态PPy颗粒,复合物微观形貌发生变化.PPy与g-C_3N_4共轭芳香环层间堆积形成的介孔、大孔孔径和孔容积均增加,比表面积增大了7 m2 g.1,使目标污染物能与光催化剂表面活性物质充分接触反应.同时,PPy具有较强吸光系数,对可见光能完全吸收;PPy/g-C_3N_4复合物的可见光吸收边带发生红移,呈现出较g-C_3N_4更强的可见光吸收能力,提高对可见光的利用效率.光催化降解MB实验结果表明,在可见光(12 W LED灯)照射2 h后,含有0.75 wt%PPy的复合样品0.75PPy/g-C_3N_4表现出最佳光催化活性,MB降解效率为99%;且污染物光催化降解过程符合准一级动力学,反应速率常数(0.03773 min~(-1))约为同条件下g-C_3N_4(0.01284 min~(-1))的3倍.自由基捕获测试实验表明,g-C_3N_4和0.75PPy/g-C_3N_4均产生了·O~2~-自由基,但后者的·O2~-信号更强.这是因为PPy也可吸收可见光并激发出电子,该电子转移到g-C_3N_4导带,再与其本身的电子共同与O2反应生成·O_2-.然而只有0.75PPy/g-C_3N_4在光催化过程中产生了·OH自由基,是由于g-C_3N_4的价带(+1.4 eV)较H_2O/·OH(+2.38 eV vs.NHE)和OH~-/·OH(+1.99 eV vs.NHE)小,此价带上的h~+不能与H_2O和OH~-反应生成·OH,而是由生成的·O_2~-再与e~-和H~+反应产生,即·O_2~-+2H+2e~-CB→·OH+OH~-.本文最后分析了以·O_2~-和·OH作为主要活性物质的PPy/g-C_3N_4复合物光催化降解污染物的反应机理,PPy具有强导电性,可作为光生电子和空穴的传输通道,抑制其在g-C_3N_4表面的复合.     

新型PtPd合金纳米颗粒修饰g-C3N4纳米片以提高可见光照射下光催化产氢活性

石墨相氮化碳(g-C_3N_4)纳米片因其廉价、易得、无毒等优点而在光催化领域被广泛应用和研究.但单一的g-C_3N_4存在光生电子与空穴易复合等缺陷,而助催化剂的存在可以促进电荷转移,延长载流子寿命,从而提高光催化性能.本文通过合成PtPd双金属合金纳米颗粒作为助催化剂,对g-C_3N_4纳米片光催化剂进行修饰以提高可见光照射下的光催化产氢速率.g-C_3N_4是以尿素为原材料,通过高温热缩聚和热刻蚀的方法合成, PtPd/g-C_3N_4复合光催化剂通过化学还原沉积法合成.对所获得的复合光催化剂进行了XRD测试并将结果与PdPt标准卡片进行了对比,结果表明,各峰的位置都能有较好的对应,说明成功合成了PdPt.采用TEM对PtPd/g-C_3N_4的形貌进行观察,发现g-C_3N_4呈薄片状,且PdPt颗粒较为均匀地分布在其表面.XPS测试发现, PtPd/g-C_3N_4复合样品中Pt和Pd元素的峰值较Pt/g-C_3N_4和Pd/g-C_3N_4均发生0.83eV的偏移,进一步说明合成了PtPd双金属合金纳米颗粒.DRS测试表明, g-C_3N_4的带隙宽度为2.69eV,而PtPd双金属合金纳米颗粒的负载有效地减小了禁带宽度,从而提高了光催化剂对光的利用率.光催化产氢性能实验发现,当g-C_3N_4负载PtPd双金属合金纳米颗粒后,光催化产氢速率大幅度提高,其中负载量为0.2wt%的PtPd/g-C_3N_4复合光催化剂的产氢速率最高,为1600.8μmol g~(–1)h~(–1),是纯g-C_3N_4纳米片的800倍.向光催化体系中添加10gK_2HPO_4后,产氢速率提高到2885.0μmolg~(–1)h~(–1).当二元合金中Pt:Pd比为1:1时, PtPd/g-C_3N_4复合光催化剂上的产氢速率最高,分别是Pt/g-C_3N_4和Pd/g-C_3N_4上的3.6倍和1.5倍.另外,在420nm处量子效率为5.5%.PtPd/g-C_3N_4复合光催化剂还表现出很好的稳定性,能够在完成4次光催化实验循环后仍然保持其良好的光催化活性.对PtPd/g-C_3N_4复合光催化剂进行了一系列光电化学表征.PL结果表明, PtPd/g-C_3N_4复合光催化剂与纯g-C_3N_4相比荧光强度减弱,说明PtPd/g-C_3N_4复合光催化剂有较慢的光生电子-空穴复合速率,这可以更有效地使电荷分离,从而提高光催化活性.根据光催化反应和表征分析结果提出了复合光催化剂上水分解产氢可能的机理,即PtPd/g-C_3N_4之间的协同作用有助于提高复合光催化剂的光催化活性.     

光纤负载g-C_3N_4/TiO_2薄膜催化剂的制备及其降解间二甲苯性能研究

采用研磨-煅烧技术制备不同g-C_3N_4含量的g-C_3N_4/TiO_2复合粉末催化剂,以模拟太阳光光催化降解气相间二甲苯实验评价催化剂活性.结果表明:当g-C_3N_4含量为60%时,g-C_3N_4/TiO_2-60的降解效果最佳.以此为代表,采用溶胶-凝胶-浸渍-提拉方法 ,制备光纤负载g-C_3N_4/TiO_2薄膜光催化材料,应用于气相间二甲苯的降解.通过X射线粉末衍射(XRD)、紫外可见漫反射(UV-Vis/DRS)及高分辨透射电镜(TEM)对催化剂进行表征.采用光电化学实验、自由基捕获实验探究其光催化机理.结果表明:模拟太阳光光照120min后,光纤负载g-C_3N_4/TiO_2-60薄膜光催化材料对气相间二甲苯的降解率为94%,经过3次循环使用后降解活性无明显变化.光在光纤中的有效传播、光生电子和空穴的快速产生、迁移以及反应体系中形成的·O2-,·OH和hVB+3种活性物种是光纤负载薄膜催化剂实现高效降解气相间二甲苯的原因.     

g-C_3N_4/Ag/TiO_2复合材料的构筑及其光催化性能（英文）

以合成的g-C_3N_4纳米片和Ag/TiO_2空心微球为原料,采用机械搅拌的方法构筑了g-C_3N_4/Ag/TiO_2三元复合光催化剂。采用X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、扫描电镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)、紫外-可见光漫反射(UV-Vis DRS)和光致发光光谱(PL)对g-C_3N_4/Ag/TiO_2进行了表征。研究表明,g-C_3N_4/Ag/TiO_2是由Ag/TiO_2微球和g-C_3N_4纳米片复合而成的。与TiO_2相比,其可见光响应范围延长,光生载流子的分离速率加快。在室温下,用降解罗丹明B的反应考察了g-C_3N_4/Ag/TiO_2的可见光催化活性。研究表明,光照180 min时,g-C_3N_4(0.5%)/Ag/TiO_2显示了最高的光催化活性(91.9%),分别是TiO_2和Ag/TiO_2的7.5和1.8倍。光催化活性的提高与合理的异质结构建和Ag的导电性能有关。     

浓硫酸法快速制备质子化g-C_3N_4纳米带及其紫外光催化降解有机染料研究

利用浓H_2SO_4(质量分数98%)强的质子化作用与水合放热效应,实现了石墨相氮化碳(g-C_3N_4)在浓H_2SO_4中的快速剥离,制备了经浓H_2SO_4质子化改性的g-C_3N_4(g-C_3N_4-H_2SO_4)纳米带.通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)和荧光光谱(PL)等对样品进行了表征分析.结果表明,所制备的g-C_3N_4纳米带与浓H_2SO_4发生了明显的质子化作用.相比体相g-C_3N_4,g-C_3N_4-H_2SO_4纳米带禁带宽度明显增大,光生电子-空穴对复合率有效降低.以亚甲基蓝为目标污染物,研究了g-C_3N_4-H_2SO_4纳米带在紫外光下的光催化活性,结果表明,g-C_3N_4-H_2SO_4纳米带在2 h内对水溶液中MB的降解率可接近100%,紫外光催化性能明显优于体相g-C_3N_4.     

2D/0D氮化碳与MoS_2量子点直接Z型光催化剂的构筑及光催化性能(英文)

近年来,光催化技术作为一种"绿色"技术,在解决环境问题和能源危机等方面有着广泛的应用.新型可见光响应的半导体光催化材料g-C_3N_4具有二维(2D)纳米片结构,合适的禁带宽度(Eg=2.7 eV),优异的化学稳定性和低廉成本得到广泛的研究.但是,g-C_3N_4光催化剂本身的光生电子-空穴对复合几率高以及可见光响应范围窄等缺点,使其在光催化领域应用中具有一定的局限性.因此,提高g-C_3N_4半导体材料的光催化活性成为近年的研究热点.众所周知,Z型光催化体系的构筑不仅使材料具有较强的氧化还原能力而且有利于其光生电子-空穴的有效分离.但传统Z型光催化体系由于贵金属的引入、复杂的反应体系限制了其在实际领域中的应用.因此,构筑无电子介体的直接Z型光催化体系成为光催化领域的研究热点之一.与块状材料相比,零维(0D)量子点材料具有带隙可调性,可见光和近红外区域的强光收集能力等性能,在光催化领域具有广阔的应用前景.MoS_2量子点具有优异的光学和电子性能,因此,在催化、荧光检测、生物成像领域有重要的应用价值.我们结合水热和微乳溶液法合成了直接Z型g-C_3N_4/MoS_2 QDs(2D/0D)复合光催化材料,并采用X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、原子力显微镜(AFM),透射电子显微镜(TEM)以及紫外可见漫反射光谱(UV-vis)等表征方法对该催化剂的结构特征、微观形貌和光学性能进行分析.并研究了g-C_3N_4/MoS_2 QDs复合材料在可见光下的光催化性能.XRD,XPS结果表明,复合材料由g-C_3N_4,MoS_2组成.TEM和高斯分布结果表明,MoS_2 QDs具有良好的分散性,其尺寸小于5 nm,g-C_3N_4纳米片由具有皱纹和不规则折叠结构的薄层组成,在g-C_3N_4/MoS_2 QDs复合材料中可以看到少量的MoS_2量子点沉积在片状g-C_3N_4的表面上.光催化性能测试结果进一步表明,7%MoS_2 QDs/g-C_3N_4在可见光下具有优异的光催化性能:可见光照射12 min内,RhB的降解效率可达100%,降解速率常数是纯g-C_3N_4的8.8倍.为了进一步研究g-C_3N_4/MoS_2异质结光催化剂的光催化机理,用对苯醌、乙二胺四乙酸二钠和丁醇进行了自由基捕捉剂实验.结果表明,超氧自由基在降解有机染料过程中起主要作用,羟基自由基和空穴在增强的光催化性能中发挥相对较小的作用.通过光电流测试、材料价带导带位置计算以及·O_2~-和·OH定量实验结果并结合文献分析认为,MoS_2量子点和g-C_3N_4之间优良的界面接触以及由直接Z型结构产生的光生电荷载体的有效分离使其光催化性能得到显著提升.     

介质阻挡放电等离子体法制备优异光催化合成过氧化氢性能的氮空穴掺杂石墨相氮化碳（英文）

过氧化氢(H_2O_2)是一种绿色氧化剂,广泛应用于纺织、印染、造纸和医药等行业.目前,工业上采用蒽醌法制备H_2O_2,它由于需要多步加氢和氧化处理,因此能耗非常大.研究发现,采用贵金属催化剂可以将氢气和氧气直接合成H2O2,但催化剂价格过高,且反应本身存在爆炸风险.近年来,半导体光催化合成H_2O_2受到广泛关注.研究发现,在水存在下,光电子可以将氧气还原得到H_2O_2.介质阻挡放电(DBD)等离子体广泛应用于材料合成、挥发性有机物处理、汽车尾气净化和材料表面处理等.石墨相氮化碳(g-C_3N_4)是新型非金属光催化剂,以其性质稳定、能带适中和制备方便等优点而广受青睐.然而g-C_3N_4的比表面积和电荷分离效率较低,大大限制了其应用.本文采用DBD等离子体法在氢气气氛下制备了N空穴掺杂的石墨相氮化碳,采用XRD,N_2吸附,UV-Vis,SEM,TEM,XPS,EIS,EPR,O_2-TPD及PL等方法对催化剂进行了表征,并考察了N空穴对催化剂结构性质、光学性质及光催化合成H_2O_2性能的影响.结果显示,当DBD等离子体处理时间小于30 min时,所制催化剂颗粒尺寸显著小于焙烧法得到的,因而其比表面积显著提高.N空穴的引入降低了催化剂的能带,提高了可见光区的吸收.此外,N空穴作为反应活性位,既能吸附反应物氧气分子,又能捕获光电子并促进光电子从催化剂向氧气分子转移,进而发生后续还原反应.等离子体处理30 min得到的催化剂光催化合成H_2O_2性能最佳,是纯g-C_3N_4的11倍.本文为g-C_3N_4基催化剂的制备提供了一个新方法.     

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）

石墨相氮化碳(g-C_3N_4)是一种在室温条件下最稳定的氮化碳.同时g-C_3N_4的带隙为2.7 eV,可以利用可见光催化很多反应,例如光解水、CO2还原、有机污染物降解和有机物合成.但普通体相g-C_3N_4的光催化性能不尽如人意,主要是由于普通体相材料的载流子复合效率高,可见光(450 nm)利用率低且比表面积小.众所周知,半导体的光催化性能与材料表面状态密切相关,因此可以控制合成条件来制备有利于光催化形貌的g-C_3N_4材料.普通体相g-C_3N_4材料的比表面积较小,约为10 m2/g,导致传质作用较差,光生电子-空穴复合严重,因此制备高比表面积的g-C_3N_4材料是目前研究的热点.我们发现在550 oC下将三聚氰胺和三聚氰酸一起煅烧可以一步热合成g-C_3N_4纳米片,合成温度较低,对材料带隙影响小,同时可以提高材料比表面积,从而极大地提高了材料的光降解苯酚性能.XRD测试发现,随着前驱体中三聚氰酸比例增加,材料的主峰从27.38°显著偏移到27.72°.这表明三嗪环面内相连构成CN平面,同时CN层也会有堆叠最终形成g-C_3N_4材料.通过BET测试,g-C_3N_4纳米片的比表面积为103.24 m2/g.采用AFM分析得到g-C_3N_4纳米片的厚度为3.07 nm.研究了该g-C_3N_4纳米片的光降解性能,结果显示,在可见光照射30 min后,使用这种g-C_3N_4纳米片作为催化剂的条件下,苯酚降解率达到最优的81%.在5次循环利用后,g-C_3N_4(1:9)的降解率还能保持在80%以上,说明材料有良好的循环稳定性.这主要得益于材料的纳米片结构,在对苯酚吸附时不会有很复杂的吸附与脱附过程.同时纳米片结构可为有机污染物的吸附和原位降解提供传质通道.光反应体系中的产物由HPLC检测,分析苯酚的降解产物及产物的产量可以大致推测苯酚可能的降解历程.在三聚氰酸作用下,CN聚合层弯曲,减少了CN层之间的相互结合,同时不会对材料的带隙产生影响.同时整个合成过程无需引发剂,也不会导致CN层的基本单元和连接方式发生改变,同时由于二维片层结构,提高了材料的电荷分离效率.通过苯酚的降解实验得知三聚氰胺与三聚氰酸的比例为1:9,在550 oC下煅烧得到的g-C_3N_4纳米片的光降解性能最优,同时具有很好的催化稳定性     

在FTO导电玻璃上电化学沉积高效可见光光电化学分解水Cu_2O/g-C_3N_4异质结膜（英文）

近几十年来,光电化学分解水制氢作为一种洁净的、能持续利用太阳能的技术受到极大关注.在众多光催化材料中,P型半导体氧化亚铜(Cu_2O)被认为是最有前途的可见光光电分解水材料之一.理论上,它的光能转换为氢能的效率可达到18.7%.然而,目前所报道的Cu_2O光转换效率远远低于此值;同时,纯Cu_2O在光照条件下的稳定性较差.研究表明,Cu_2O与其它半导体复合可以增强其光电转换效率和提高稳定性.如Cu_2O和能带匹配的石墨相氮化碳(g-C_3N_4)复合后,光催化性能和稳定性都有较大提高.但目前所报道的Cu_2O/g-C_3N_4复合物几乎都是粉末状催化剂,不便于回收和重复使用.本文首先采用电化学方法在FTO导电玻璃上沉积Cu_2O薄膜,采用溶胶凝胶法制备g-C_3N_4纳米颗粒材料,然后采用电化学法在Cu_2O薄膜表面沉积一层g-C_3N_4纳米颗粒,得到了Cu_2O/g-C_3N_4异质结膜.分别利用X射线粉末衍射(XRD)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、扫描电子显微镜(SEM)、紫外可见光谱(UV-Vis)和光电化学分解水实验分析了Cu_2O/g-C_3N_4异质结的组成结构、表面形貌、光吸收性能及催化剂活性和稳定性.XRD和HRTEM表征显示,本文成功合成了Cu_2O/g-C_3N_4异质结材料,SEM图表明g-C_3N_4纳米颗粒在Cu_2O表面分布均匀,大小均一.可见光光电化学分解水结果显示,异质结薄膜的光电化学性能比纯的Cu_2O和g-C_3N_4薄膜材料有极大提高.当在Cu_2O表面沉积g-C_3N_4的时间为15 s时,得到样品Cu_2O/g-C_3N_4-15异质结膜,其在-0.4 V和可见光照射条件下,光电流密度达到了-1.38 mA/cm~2,分别是纯Cu_2O和g-C_3N_4薄膜材料的19.7和6.3倍.产氢速率也达到了0.48 mL h~(-1)cm~(-2),且产氢和产氧的速率之比约为2,说明此异质结材料在可见光作用下能全分解水.经过三次循环实验,光电化学分解水的效率仅降低10.8%,表明该材料具有良好的稳定性.根据UV-Vis表征和光电化学性能对比,Cu_2O/g-C_3N_4-15的光电性能最好,但其光吸收性能并不是最好,说明光电化学性能与光吸收不是成正比关系,主要是由于Cu_2O和g-C_3N_4两个半导体相互起到了协同作用.机理分析表明,Cu_2O/g-C_3N_4异质结薄膜在光照下,由于两者能带匹配,Cu_2O的光生电子从其导带转移到g-C_3N_4的导带上,g-C_3N_4价带上的空隙转移到Cu_2O的价带上,从而降低了光生电子和空隙的复合,提高了其光催化性能.由于g-C_3N_4的导带位置高于H_2O(或H~+)还原为H_2的电势,Cu_2O的价带位置低于H_2O(或OH-)还原为O_2的电势,所以在外加-0.4V偏压和可见光照射条件下,Cu_2O/g-C_3N_4能全分解水,光生载流子越多,光电化学分解水的速率越大.综上所述,在Cu_2O薄膜上沉积g-C_3N_4后得到的异质结薄膜具有高效的光能转换为氢能性能.     

缺陷辅助表面修饰提高g-C3N4@C-TiO2直接Z型异质结的可见光光催化性能

光催化技术被认为是解决能源和环境问题的最有前途方法之一.较高光催化活性的石墨相氮化碳(g-C_3N_4)及碳掺杂TiO_2(C-TiO_2)的制备及性能一直是环境光催化研究的热点,然而,单一光催化剂存在光生电子空穴易复合及量子效率低等问题.本课题组曾通过简单的水辅助煅烧法成功制备了纳米多孔g-C_3N_4,结果发现,多孔g-C_3N_4光催化活性较体相的明显提高,但光催化效率仍不够理想,原因是光生电子空穴复合较严重.传统的制备C-TiO_2的方法亦存在一些不足,如需要添加碳源或碳组分聚集体.我们采用原位掺杂的方法合成了含有一定氧空位和活性位的纳米碳改性的C-TiO_2,后辅以简单的化学气相沉积法构建了g-C_3N_4表面修饰的g-C_3N_4@C-TiO_2.结果表明,相比纯g-C_3N_4, TiO_2及C-TiO_2,g-C_3N_4@C-TiO_2具有更高的光催化活性;但其原因及碳掺杂态的影响尚不清楚.基于此,本文采用X射线光电子能谱技术(XPS)、透射电子显微镜(TEM)、电化学阻抗谱(EIS)、光致发光谱(PL)、电子顺磁共振技术(EPR)及理论计算等手段研究了g-C_3N_4@C-TiO_2光催化活性提高的原因和机理.XPS结果表明,随着碳含量的增加,间隙掺杂产生的O-C键的峰值强度先增大后趋于稳定,而晶格取代掺杂产生的Ti-C键的峰值强度逐渐增大.Ti-O峰的减少进一步证明了更多的碳取代了氧晶格的位置.随着碳掺杂量的增加,C-TiO_2的带隙逐渐减小,因而吸收边红移;同时, g-C_3N_4@C-TiO_2的光催化降解效率先升高后降低. g-C_3N_4@C-TiO_2对RhB(苯酚)光降解的最大表观速率常数为0.036(0.039)min-1,分别是纯TiO_2, 10C-TiO_2, g-C_3N_4和g-C_3N_4@TiO_2的150(139), 6.4(6.8), 2.3(3)和1.7(2.1)倍.g-C_3N_4通过π-共轭和氢键与C-TiO_2表面紧密结合,在催化剂中引入了新的非局域杂质能级和表面态,可以更有效地分离和转移光生电子,因而光催化活性增加.由此可见,碳掺杂状态和g-C_3N_4原位沉积表面改性对g-C_3N_4@C-TiO_2复合光催化剂性能的影响很大.     

Fe_3O_4/g-C_3N_4复合催化剂增强芬顿/光-芬顿和类过氧化酶反应的活性及稳定性(英文)

石墨相的氮化碳(g-C_3N_4)已被广泛用于光催化、水分解、光子检测器、电池、以及光电阴极.与其他光催化材料相比,g-C_3N_4具有价格低廉,易制备,无毒无污染等优点.此外,C_3N_4具有适宜的带隙(2.7 eV),能有效地吸收可见光.有关C_3N_4的光催化研究很多,但是其降解效率受限于电子空穴对的快速复合.因此,为了提高C_3N_4光催化反应效率,需要对其进行改性.磁铁矿(Fe_3O_4)广泛用于光催化和芬顿/光-芬顿反应.Fe_3O_4晶体具有反式尖晶石结构,其中Fe~(2+)和Fe~(3+)同时存在.研究表明,磁铁矿在酸性条件下催化效果显著,然而,它的比表面积小,随着反应时间的推移,铁离子会溶出,不利于有机物降解反应.因此,近来许多研究着重于磁铁矿复合物的制备,以提高磁铁矿的稳定性及催化性能.本文通过惰性氛围高温焙烧三聚氰胺制备了g-C_3N_4,再通过氯化铁和乙酸钠在乙醇中于180°C溶剂热反应,制备Fe_3O_4纳米粒子,最后通过静电自组装过程制备出Fe_3O_4/g-C_3N_4纳米复合材料.利用X射线衍射(XRD),扫描电子显微镜(SEM)及X射线光电子光谱(XPS)等手段验证其组成和结构.XRD结果表明,Fe_3O_4/g-C_3N_4复合材料中可以清晰看到Fe_3O_4和g-C_3N_4的衍射峰,说明这两种材料的晶相得以保持.SEM和TEM结果表明,Fe_3O_4纳米颗粒很好地附着在g-C_3N_4薄片上.XPS结果表明,氮化碳中存在典型的三种N峰;此外还存在铁的两种价态.光-芬顿活性测试中,相同条件下,Fe_3O_4/g-C_3N_4在60 min内将罗丹明B(RhB)几乎降解完全,而单组份的Fe_3O_4或g-C_3N_4对RhB的降解小于50%.可见,复合后的Fe_3O_4/g-C_3N_4光催化性能得到很大提升.单g-C_3N_4本身由于快速的电子空穴复合以及对双氧水的弱亲和力,因而对Rh B降解效果差.单独的Fe_3O_4由于在中性或者碱性条件下反而会抑制光催化芬顿活性.对于制备的Fe_3O_4/g-C_3N_4复合材料,具有以下优点:(1)电子在Fe~(3+)和g-C_3N_4的LUMO轨道上的转移降低了电子-空穴对的复合;(2)Fe_3O_4均匀分布在g-C_3N_4上,对于H_2O_2的吸附提供了有利的高比表面积;(3)Fe_3O_4和g-C_3N_4之间的界面相互作用使得Fe_3O_4的稳定性提高.通过降解RhB的动力学研究,得到反应速率为0.02 min~(–1),属准一级反应.分析检测结果表明,光-芬顿反应后,RhB分子被彻底矿化降解,没有中间产物生成,最终降解为CO_2和水.同时,通过对辣根过氧化物酶(HRP)模拟催化进行测试,以3,3',5,5'-四甲基联苯胺盐酸盐(TMB)作为基质,同时添加双氧水和Fe_3O_4/g-C_3N_4,在pH值为4.5条件下,TMB可以被有效氧化.实验表明,Fe_3O_4/g-C_3N_4添加量为25 mg/ml时,对TMB氧化性能最佳.复合催化剂还用于多巴胺的催化氧化反应.结果表明,多巴胺的氧化反应速率常数为1.21 min~(–1),属一级动力学反应.总之,复合材料提高了Rh B的光催化降解活性和稳定性;对TMB和HRP亲和性好,表现出高的类过氧化酶反应活性;有效的多巴胺氧化反应表明其有望用于生物基氧化反应中.实验结果表明,本文发展的Fe_3O_4/g-C_3N_4复合材料为其他类型复合材料的制备与应用提供了新的思路.     

分子印迹型TiO2/g-C3N4的制备及其对孔雀石绿光催化降解性能研究

以三聚氰胺、三聚氰酸和TiO_2为前驱体,制备了TiO_2/g-C_3N_4复合材料,再以孔雀石绿为模板分子,通过溶胶-凝胶法制得分子印迹型TiO_2/g-C_3N_4光催化材料(MIP-TiO_2/g-C_3N_4)。利用傅里叶红外光谱(FTIR)、X-射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)等方法对MIP-TiO_2/g-C_3N_4的结构和形貌进行了表征。通过吸附和降解实验研究了MIP-TiO_2/g-C_3N_4的吸附性能和光催化性能。结果表明,该材料能够有效降低高浓度共存物质的干扰,实现选择性的富集并降解孔雀石绿,在140 min内对孔雀石绿的降解率可达93.7%。     

具有超快电子传输能力的金/薄层氮化碳等离子光催化剂用于光催化产氢（英文）

光催化产氢可以直接将太阳能转化为化学能,是非常有前景的产氢技术之一.然而,光催化产氢的瓶颈在于如何提高光催化产氢效率和光催化剂的稳定性,以及降低产氢成本.因此,开发廉价、易于制备的产氢光催化剂引起人们广泛关注.作为一种非金属半导体光催化剂,石墨相氮化碳(g-C_3N_4)具有良好的物理化学性质,如良好的化学和热稳定性、极佳的光电性能、强的抗氧化能力等.更为重要的是,g-C_3N_4具有合适的能带结构,能够利用可见光.因此,g-C_3N_4已广泛应用于光催化降解、空气净化、光解水和光催化CO2还原等领域.然而,体相g-C_3N_4仍然暴露出一些缺点,例如比表面积小、光生电子-空穴对的复合率高和反应动力学差等.将体相g-C_3N_4剥离成g-C_3N_4纳米薄片是提高光催化效率的有效方法.薄层g-C_3N_4纳米片具有较高的比表面积,比体相的g-C_3N_4有更好的光生电子-空穴对分离效率.为了进一步提高g-C_3N_4的光催化性能,本文通过在薄层g-C_3N_4表面均匀分散Au纳米颗粒来控制电荷载流子的流动.并通过光催化产氢和污染物降解来评估金/薄层氮化碳(Au/monolayer g-C_3N_4)复合材料的光催化性能.所有的Au/薄层g-C_3N_4复合材料均显示出优于体相g-C_3N_4的光催化性能,其中1%Au/薄层g-C_3N_4复合光催化剂具有最高的产氢速率(565μmol g.1h.1),且具有最佳的污染物降解能力.这主要归结于热电子的注入,而不是肖特基结.Au纳米颗粒的成功引入带来了表面等离子共振(SPR)效应,SPR效应不仅能够提高光吸收效率,而且能够带来高效的热电子转移途径.热电子是从Au纳米颗粒表面注入到薄层g-C_3N_4纳米片的导带上.因此,Au/薄层g-C_3N_4复合光催化剂具有更高的光生电子-空穴对迁移和分离效率,以及更低的光生电子-空穴对复合几率.采用紫外可见光谱(UV-Vis)、光致发光光谱(PL)、光电流和阻抗等表征手段研究了Au/薄层g-C_3N_4复合光催化剂性能提升的原因.结果表明,相比于薄层g-C_3N_4纳米片,Au/薄层g-C_3N_4复合光催化剂具有更好的光电性能,因而光催化活性更高.此外,与薄层g-C_3N_4纳米片的光电流强度相比,Au/薄层g-C_3N_4复合光催化剂的光电流强度没有发生改变,这表明薄层g-C_3N_4纳米片导带上的光生电子不可能转移到Au纳米颗粒的表面.也就是说,肖特基结并没有参与到电子转移过程中,因此推测出整个光催化反应是热电子注入在起作用     

利用Ni(OH)_x助催化剂修饰提高g-C_3N_4纳米片/WO_3纳米棒Z型纳米体系的可见光产氢活性的研究（英文）

光催化技术是目前解决能源和环境问题最具前景的手段之一,因此寻找高效光催化剂已成为光催化技术的研究热点.而在众多半导体催化剂中,廉价、环保且性能稳定的g-C_3N_4光催化剂在太阳光开发利用方面尤其引人关注.然而,由于g-C_3N_4的比表面小,活性位点少,以及光生电子/空穴对易复合等不足,严重导致其较低的光催化量子效率.因此,构造Z型体系和负载助催化剂等策略被广泛应用于提高g-C_3N_4光催化效率.在过去几年中,TiO_2,Bi_2WO_6,WO_3,Bi_2MoO_6,Ag_3PO_4和ZnO已经被成功证实可以与g-C_3N_4耦合而构造Z型光催化剂体系.其中,WO_3/g-C_3N_4光催化剂体系,具有可见光活性的WO_3导带中的光生电子和g-C_3N_4价带中的光生空穴容易实现Z型复合,从而保留了WO_3的强氧化能力和g-C_3N_4的高还原能力,最终大幅度提高了整个体系的光催化活性.在g-C_3N_4的各种产氢助催化剂中,由于常用的Pt,Ag和Au等贵金属的高成本和低储量等问题严重限制了它们的实际应用,所以近年来各种非贵金属助催化剂(包括纳米碳,Ni,NiS,Ni(OH)_2,WS_2和MoS_2等)得到了广泛的关注.我们采取廉价且丰富的Ni(OH)_x助催化剂修饰g-C_3N_4/WO_3耦合形成的Z型体系,开发出廉价高效的WO_3/g-C_3N_4/Ni(OH)_x三元产氢光催化体系.在该三元体系中,Ni(OH)_x和W0_3分别用于促进g-C_3N_4导带上光生电子和价带的光生空穴的分离及利用,从而使得高能的g-C_3N_4的光生电子在Ni(OH)_x富集并应用于光催化产氢,而高能的WO_3的光生空穴被应用于氧化牺牲剂三乙醇胺,最终实现了整个体系的高效光催化产氢活性及稳定性.我们通过直接焙烧钨酸铵和硫脲制备出WO_3纳米棒/g-C_3N_4,并采用原位光沉积方法将Ni(OH)_x纳米颗粒负载到WO_3/g-C_3N_4上.随后,我们采取X射线衍射(XRD)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、X射线光电子能谱分析(XPS)和比表面和孔径分布等表征手段来研究光催化剂的结构与形貌;采取紫外-可见漫反射表征方法来研究其光学性能;采取荧光光谱,阻抗和瞬态光电流曲线等表征手段来测试光催化剂的电荷分离性能;采取极化曲线和电子自旋共振谱等表征手段来证明光催化机理;采取光催化分解水产氢的性能测试来研究光催化剂的光催化活性与稳定性.XRD,HRTEM和XPS表征结果,表明WO_3为有缺陷的正交晶系的晶体,直径为20-40纳米棒且均匀嵌入在g-C_3N_4纳米片上;Ni(OH)_x为Ni(OH)_2与Ni的混合物,其Ni(OH)_2与Ni的摩尔比为97.4:2.6,Ni(OH)_x粒径为20-50 nm且均匀分散在g-C_3N_4纳米片上,WO_3/g-C_3N_4/Ni(OH)_x催化剂界面之间结合牢固,其中WO_3和Ni(OH)_x均匀分布在g-C_3N_4上.紫外-可见漫反射表征结果表明,随着缺陷WO_3的负载量增加,复合体系的吸收边与g-C_3N_4相比产生明显的红移,而加入Ni(OH)_x助催化剂使得催化剂体系的颜色由黄变黑,明显地增加了可见光的吸收.荧光光谱,阻抗和瞬态光电流曲线结果表明,WO_3和Ni(OH)_x的加入能有效地促进光生电子/空穴的分离.极化曲线结果表明,掺入WO_3和Ni(OH)_x能降低g-C_3N_4的析氢过电位,从而提高光催化剂表面的产氢动力学.·O_2~-和·OH电子自旋共振谱表明成功形成了WO_3/g-C_3N_4耦合Z型体系.光催化分解水产氢的性能测试表明,20%WO_3/g-C_3N_4/4.8%Ni(OH)_x产氢效率最高(576μmol/(g·h)),分别是g-C_3N_4/4.8%Ni(OH)_x,20%WO_3/g-C_3N_4和纯g-C_3N_4的5.7,10.8和230倍.上述结果充分证明,Ni(OH)_x助催化剂修饰和g-C_3N_4/WO_3 Z型异质结产生了极好的协同效应,最终实现了三元体系的极高的光催化产氢活性.