分级孔结构g-C3N4光催化剂的制备及性能

以单分散SiO2为模板,通过简单的一步煅烧法制备具有分级孔结构的g-C3N4。与体相g-C3N4相比,分级孔结构的g-C3N4不仅可见光吸收性能和比表面积得到提高,而且更有利于光生电子-空穴的分离。此外,具有分级孔结构的g-C3N4具有明显增强的可见光驱动的光催化产氢活性,当SiO2和二氰二胺质量比为1∶1时,制备所得g-C3N4(C3N4-2)产氢速率几乎是体相g-C3N4的18倍。     

Ni5P4/g-C3N4复合光催化剂的制备及光催化性能

使用尿素、 红磷和氯化镍为原料, 通过一种简单的焙烧方法合成了Ni₅P₄/g-C₃N₄光催化剂. 该催化剂形成的异质结可以降低界面电阻, 有效抑制光生电子-空穴对复合率. 以罗丹明B模拟污染物进行降解测试, 发现3NPC的反应速率常数最高, 几乎是g-C₃N₄的7倍, 并具有最高的光催化产氢能力, 制氢速率高达1013.88 μmol·g^-1·h^-1, 明显高于g-C₃N₄(664.38 μmol·g^-1·h^-1).     

热聚合硫氰酸铵制备多孔 g-C3N4纳米片及其可见光催化分解水制氢性能

二维层状半导体材料与其体相堆积结构相比表现出独特的性质,有望在纳米材料科学领域取得新的突破.基于对太阳能利用的研究,二维半导体光催化材料引起了研究者的广泛关注.诸多半导体材料已被设计合成二维纳米片结构应用于光催化领域,如 MoS2, WS2, SnS2和TiO2等.石墨相氮化碳(g-C3N4)是一种典型的非金属二维聚合物半导体.二维层状结构的组成使得 g-C3N4纳米片能够表现出优异的光电性质.然而,其合成目前仍然存在很大困难.目前已报道的单层或多层 g-C3N4的制备主要有超声辅助溶剂剥离法、热处理法、插层法和电化学合成法等.但这些方法存在合成复杂和引入结构缺陷等不足.另外,在体相组成中插入孔结构也能够提高 g-C3N4的光催化活性.目前常用的方法主要是模板法.然而,在这些生孔过程中往往引起聚合度降低,增加长程无序度,不利于光生载流子的传输.因此,如果将多孔结构引入 g-C3N4纳米片,同时提高其聚合度结构,将在很大程度上提高其光催化性能.本文利用直接氨气热聚合的方法,将硫氰酸铵进行高温热处理,一步法合成出较高聚合度的多孔 g-C3N4纳米片,在可见光照射下表现出较高的产氢活性和稳定性.采用 X射线衍射(XRD)、红外光谱(FTIR)、荧光光谱(PL)和电子顺磁共振(EPR)等方法对多孔 g-C3N4纳米片结构进行了详细表征.在助催化剂 Pt存在下,采用可见光照射(>420 nm)分解水产氢的方法评价了其光催化性能.结果表明,热处理温度对产物结构及性能具有较大影响. XRD结果表明,在450oC热处理,硫氰酸铵未完全聚合,与前期氮气热处理的结论不同.当热聚合温度上升至500oC,石墨相结构形成.至600oC时,石墨相的层间距缩小,且聚合度没有明显下降.这表明氨气气氛抑制了原料分解,提高了分解聚合温度,同时增加了产物的聚合度. FTIR结果表明,热聚合温度对产物 C–N共轭结构改变不大,但在810 cm–1处的峰位向长波数移动,表明七嗪环单元含量增加,再次证明高的热聚合温度没有造成明显的结构分解,反而促进了聚合结构的形成.扫描电镜与氮气吸脱附分析表明,随着聚合温度升高,产物粒子尺寸变小,形貌呈现层状分布,并伴随多孔状的产生,因此比表面积和孔体积显著增大,吸收带边发生蓝移. PL和 EPR结果表明,聚合温度从500增至600oC,样品光生载流子的复合速率下降,导带离域电子密度增加,从而有利于光催化性能的提高.光解水产氢性能测试表明,聚合温度升高有利于催化剂产氢速率提高;600oC所得样品的产氢速率达340μmol/h.进一步分析表明,产氢速率与比表面积基本成正相关关系,说明层状多孔结构的形成是影响产氢性能的重要因素.经过多轮循环测试,其产氢性能保持稳定而没有显著下降,表明其活性稳定性良好.     

NiS2助剂修饰g-C3N4光催化剂的简易合成及光催化制氢性能增强研究

g-C3N4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-C3N4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-C3N4光催化性能较低,其原因可归纳为:(1)g-C3N4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-C3N4的量子效率较低;(2)材料在合成过程中易于结块,使g-C3N4的比表面积远小于理论值,严重削弱了g-C3N4光催化材料的制氢性能.目前已有很多关于g-C3N4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-C3N4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.NiS2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-C3N4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-C3N4表面均匀分布的含氧官能团等和Ni2+结合,再原位与S2?反应,从而在g-C3N4上负载耦合紧密的NiS2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NiS2/g-C3N4光催化剂.NiS2助剂在温和的反应条件下与g-C3N4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-C3N4;(2)添加Ni(NO3)2前驱体后,Ni2+离子由于静电作用紧密吸附在g-C3N4表面;(3)在80oC加入硫代乙酰胺(TAA),可在g-C3N4的表面紧密和均匀形成助剂NiS2.表征结果证实成功制备NiS2纳米粒子修饰的g-C3N4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-C3N4.此外,对NiS2/g-C3N4(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NiS2促进了物质表面快速转移光生电子,使g-C3N4光生电荷有效分离.基于NiS2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.     

可见光诱导提升Pt/g-C3N4纳米片甲酸氧化性能的研究

以半导体材料类石墨氮化碳纳米片(g-C₃N₄纳米片)为载体,通过微波-多元醇法构筑了Pt/g-C₃N₄纳米片催化剂. 通过TEM、XRD、XPS、紫外-可见吸收光谱等方法对Pt/g-C₃N₄纳米片催化剂的粒径尺寸、组成、结构、光学等性质进行分析. 通过对比可见光照和暗室条件下的甲酸电氧化活性,Pt/g-C₃N₄纳米片催化剂在可见光照射下展现出良好的催化性能. 该性能的提高一方面可能是由于g-C₃N₄纳米片在可见光照射下加速了电子从Pt转移给g-C₃N₄纳米片,Pt处于“电子匮乏”状态,可削弱CO与Pt之间的化学键能,减弱CO在Pt表面的吸附能力,促进了CO的氧化,提高了催化剂抗中毒能力;另一方面,g-C₃N₄纳米片在光照条件下分离出的空穴可有效氧化甲酸分子,提高甲酸氧化活性. 因此,可见光条件下可有效提高Pt/g-C₃N₄纳米片催化剂甲酸催化氧化活性,这为直接甲酸燃料电池的发展提供了新思路.     

可见光还原制备Fe/g-C3N4复合催化剂的产氢研究

利用荧光素作为光敏剂,三乙醇胺(TEOA)作为牺牲剂,在大于420 nm的LED灯照射下,3价铁离子光催化还原生成零价铁纳米粒子分散在二维g-C3N4片上,并伴随着光催化分解水产氢,催化产氢效率达到5.97 μmol·h-1.光催化反应48 h后,催化活性没有明显降低.     

g-C_3N_4/CdS纳米棒复合光催化剂的制备及其光催化性能

采用简单的水热法制得CdS纳米棒,采用溶剂热法制得g-C_3N_4/CdS纳米棒复合光催化剂(1),其结构和性能经SEM,XRD和UV-Vis(DRS)表征。探究了1在可见光作用下光催化降解模拟有机污染物甲基橙的性能。结果表明:在可见光作用下,与纯CdS纳米棒光催化剂比较,1的催化活性明显提高,稳定性显著增强。     

聚邻苯二胺修饰玻碳电极的制备及电催化性能

在磷酸盐缓冲溶液中研究了邻苯二胺在玻碳电极表面的聚合过程,探讨了各氧化还原峰的变化机理,用扫描电镜表征了聚邻苯二胺膜的形态结构。发现制备的聚邻苯二胺膜修饰电极对H2O2有显著的电催化还原特性,线性回归方程为:Δipa(μA)=-1.63 1.07cH2O2(mmol.L-1)(R=0.9947,n=19),线性范围为:5.89×10-2mmol.L-1~44.4 mmol.L-1,检出限为:0.02 mmol.L-1(3S/k),这对与产生H2O2的氧化酶相结合制备出响应各种底物的电化学生物传感器非常重要。考察了制备条件对膜电极电催化还原活性的影响,发现只有在弱酸条件下制备的膜电极才有较高的电催化活性。探讨了影响膜电极电催化还原灵敏度的因素,并考察了膜电极的稳定性。     

新型BiOI/g-C3N4纳米片复合光催化剂的制备及其可见光催化活性增强

近年来, 石墨型氮化碳(g-C3N4)作为一种n型半导体光催化剂材料, 由于具有较好的热稳定性和化学稳定性, 同时具有可调的带隙结构和优异的表面性质而备受人们关注. 然而, 传统的g-C3N4块体材料存在比表面积小、光响应范围窄和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. 因此, 人们开发了多种技术对块体状g-C3N4材料进行改性,其中构建基于g-C3N4纳米薄片的异质结复合光催化材料被认为是强化g-C3N4载流子分离效率, 进而提高其可见光催化活性的重要手段. BiOI作为一种窄带隙的p型半导体光催化剂, 具有强的可见光吸收能力和较高的光催化活性, 同时它与g-C3N4纳米薄片具有能级匹配的带隙结构. 因此, 基于以上两种半导体材料的特性, 构建新型的BiOI/g-C3N4纳米片复合光催化剂材料不仅能够有效提高g-C3N4的可见光利用率, 而且还可以在n型g-C3N4和p型BiOI界面间形成内建电场, 极大促进光生电子-空穴对的分离与迁移效率.为此, 本文通过简单的一步溶剂热法在g-C3N4纳米薄片表面原位生长BiOI纳米片材料, 成功制备了新型的BiOI/g-C3N4纳米片复合光催化剂. 利用X射线衍射仪(XRD), 场发射扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、紫外-可见漫反射光谱和瞬态光电流响应谱对所合成复合光催化剂的晶体结构、微观形貌、光吸收性能和电荷分离性能进行了表征测试. XRD, SEM和TEM结果显示, 结晶完好的BiOI呈小片状均匀分散在g-C3N4纳米薄片表面; 紫外漫反射光谱表明, 纳米片复合材料的吸光性能较g-C3N4薄片有显著提升; 瞬态光电流测试证明, 复合材料较单一材料有更好的电荷分离与迁移性能.在可见光催化降解RhB的测试中, BiOI/g-C3N4纳米片复合光催化剂显示出了优异的催化活性和稳定性, 其光降解活性分别为纯BiOI和g-C3N4的34.89和1.72倍; 自由基捕获实验发现, 反应过程中的主要活性物种为超氧自由基(·O2-), 即光生电子主导整个降解反应的发生. 由此可见, 强的可见光吸收能力和g-C3N4与BiOI界面处形成的内建电场协同促进了g-C3N4纳米薄片的电荷分离, 进而显著提高了该复合材料的可见光催化降解活性. 此外, 本文初步验证了在BiOI/g-C3N4纳米片复合光催化体系内光生电荷是依据"双向转移"机制进行分离和迁移的, 而非"Z型转移"机制.     

g-C3N4纳米片制备方法研究

作为一种sp2共轭体系的非金属聚合物半导体,g-C3N4纳米片在光电化学、催化、光催化及生物医药等领域具有广泛的应用前景。本文综述了g-C3N4纳米片的制备方法,总结了各种不同方法制备g-C3N4纳米片的的优缺点,并对g-C3N4纳米片的发展进行了展望。     

g-C3N4/BiVO4复合催化剂的制备及应用于光催化还原CO2的性能

用简单的超声分散法合成了具有可见光响应的类石墨氮化碳(g-C₃N₄)/BiVO₄复合光催化剂. 采用X射线衍射(XRD), X射线光电子能谱(XPS), 扫描电子显微镜(SEM), 透射电子显微镜(TEM), 紫外-可见(UV-Vis)分光光谱, 傅里叶红外变换(FTIR)光谱, 荧光发射谱(PL)和光电流响应等技术对所制备催化剂进行相关表征. 通过可见光下(λ> 420 nm)光催化还原CO₂的性能来评价样品的光催化活性, 发现不同复合比的催化剂中, 含40% (w) g-C₃N₄的复合催化剂表现出最高的光催化活性, 其催化活性分别为纯g-C₃N₄纳米片和纯BiVO₄的催化活性的2倍和4倍.光催化活性增加的主要原因是g-C₃N₄和BiVO₄之间形成了异质结, 且相互间能级匹配, 有利于光生电子和空穴的分离.     

一步法合成g-C3N4纳米片用作苯酚可见光降解高效催化剂

石墨相氮化碳(g-C3N4)是一种在室温条件下最稳定的氮化碳.同时g-C3N4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-C3N4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-C3N4材料.普通体相g-C3N4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-C3N4材料是目前研究的热点.我们发现在550℃下将三聚氰胺和三聚氰酸一起煅烧可以一步热合成g-C3N4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-C3N4材料.通过BET测试,g-C3N4纳米片的比表面积为103.24 m2/g.采用AFM分析得到g-C3N4纳米片的厚度为3.07 nm.研究了该g-C3N4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-C3N4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-C3N4(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℃下煅烧得到的g-C3N4纳米片的光降解性能最优,同时具有很好的催化稳定性.     

ZnIn2S4/g-C3N4复合材料的制备及可见光催化制氢性能

采用水热方法制备了ZnIn₂S₄/g-C₃N₄复合材料, 并通过X射线衍射(XRD)、 傅里叶变换红外光谱(FTIR)、 紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)、 透射电子显微镜(TEM)和荧光光谱(PL)等手段对其结构和性能进行表征. 结果表明, 当ZnIn₂S₄的负载量为20%(质量分数)时, 复合材料表现出最佳的光催化制氢性能, 制氢速率可达到637.08 μmol·g^-1·h^-1, 分别为纯ZnIn₂S₄和纯g-C₃N₄的4倍和37倍. 其原因在于ZnIn₂S₄和g-C₃N₄之间具有紧密的异质结结构, 两者有效的结合改善了组分的能带匹配和界面电荷转移, 从而大幅增强了载流子的分离和迁移, 进而提高光催化的性能.     

双助剂促进g-C3N4光解水制氢性能

氢能是最具应用前景的清洁能源之一,利用太阳能作为驱动力光催化水分解制取氢气已被广泛研究.作为非金属半导体光催化剂, g-C_3N_4具有合适的能带结构(2.71 eV),良好的可见光捕获能力和物理化学稳定性,因而有一定的光催化产氢能力;但是它具有可见光吸收能力(470 nm)不够、光生电子空穴容易复合等缺点,使其光催化制氢能力受到了极大限制.通过助剂修饰可有效促进载流子分离,增加反应活性位点及加速产氢动力学.因此,本文采用双助剂改性以提高g-C_3N_4的光催化制氢性能.本文首先采用原位煅烧法将银纳米粒子(AgNPs)沉积在g-C_3N_4表面(Ag/g-C_3N_4),随后利用水热法成功地将硫化镍(NiS)负载在Ag/g-C_3N_4复合材料表面.XRD, FT-IR, XPS和TEM结果表明,通过原位煅烧和水热合成法可以成功地将Ag和NiS均匀、稳定沉积在g-C_3N_4表面,并且g-C_3N_4保持原有结构不变.紫外可见吸收光谱(UV-Vis)、瞬态光电流、阻抗(EIS)和光致发光谱(PL)分析表明, AgNPs和NiS的引入不仅改善了体系的光吸收范围和强度,而且显著提高了体系光生电子和空穴的产生、分离性能,有助于提高光子利用效率.其中三元样品的最高光电流可以达到2.94′10–7 A·cm~(–2),是纯g-C_3N_4的3.1倍.对系列光催化剂的分解水制氢性能测试发现(采用300 W氙灯作为光源,三乙醇胺作为牺牲剂), 10wt%-NiS/1.0wt%-Ag/CN样品具有最优异的光催化分解水制氢性能,产氢速率可达9.728 mmol·g–1·h–1,是纯g-C_3N_4的10.82倍,二元10wt%-NiS/CN的3.45倍, 1.0wt%-Ag/CN的2.77倍.三元样品反应前后的XRD特征峰位置没有发生变化,循环四次后样品仍具有83%的催化活性,证明其具有良好的制氢稳定性.10 wt%-NiS/1.0 wt%-Ag/CN样品在可见光下(λ 420 nm)的制氢量子效率为1.21%.三元体系光催化产氢性能增强的原因在于:(1)Ag纳米颗粒的局域表面等离子体效应使得三元体系的光捕获能力得到提高;(2)Ag NPs和NiS负载在g-C_3N_4上共同促进了光生电子空穴的产生和分离;(3)Ag NPs和Ni S作为优良的析氢助催化剂沉积在g-C_3N_4表面上可以有效地提高产氢动力学.本文构建的NiS/Ag/g-C_3N_4复合体系为g-C_3N_4基复合光催化剂的设计及制备提供了新的思路.     

蜂窝状C3N4/CoSe2/GA复合光催化剂的制备及CO2还原性能

以六水金氯化钴、 硒粉和尿素为前驱体, 通过水热法合成C₃N₄/CoSe₂纳米粒子, 再将其锚定在石墨烯气凝胶（Graphene aerogel, GA）表面, 制备蜂窝状C₃N₄/CoSe₂/GA光催化剂. 采用X射线衍射(XRD)、 X射线光电子能谱(XPS)、 扫描电子显微镜(SEM)、 透射电子显微镜(TEM)和紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)等手段对材料的结构、 形貌和光学性能进行表征. 同时以氙灯作为模拟可见光光源, 通过CO₂光催化还原为CO考察所制备纳米材料的光催化活性. 结果表明, 在C₃N₄纳米片表面引入了CoSe₂和GA并制备出蜂窝状结构 C₃N₄/CoSe₂/GA催化剂, 通过GA, CoSe₂与C₃N₄耦合可以显著提高光吸收密度以及扩展光响应范围, 呈现了更低的荧光强度和最大的电子转移速率. 在同种光催化下, C₃N₄/CoSe₂/GA对CO₂还原催化效率最大, CO产量达到5.75 μmol·g^-1·h^-1, 并且重复使用性能良好.     

熔盐辅助法制备g-C3N4纳米结构及其光催化制氢性能

以尿素作为原料, 采用熔盐辅助热聚合法在KCl-NaCl-BaCl₂体系中制备了带隙可调的g-C₃N₄纳米结构. 采用X射线衍射仪、 扫描电子显微镜、 X射线光电子能谱仪、 紫外-可见漫反射光谱仪及荧光光谱仪对产物的结构、 形貌、 成分及光学性能进行了表征. 对g-C₃N₄纳米结构可见光条件下的光催化制氢性能进行了测试, 研究了不同的尿素/熔盐比对其光催化性能的影响. 结果表明, 熔盐辅助热聚合法制备的g-C₃N₄ 纳米结构吸收光谱出现明显宽化, 吸收边由普通热聚合法制备g-C₃N₄的约450 nm红移至约500 nm左右. 同时光生载流子复合几率明显降低, 从而有效提升其光催化制氢性能. 最优化的g-C₃N₄(60)样品析氢速率达到12301.1 μmol?g^?1?h^?1, 为普通热聚合法制备g-C₃N₄析氢速率的4倍.     

Co/C3N4 NTs复合纳米材料的制备及光催化性能

采用化学还原法将非贵金属钴纳米颗粒沉积到氮化碳纳米管（C₃N₄ NTs）内外管壁,制备了Co/C₃N₄ NTs复合光催化剂。使用多种分析表征手段对Co/C₃N₄ NTs的形貌和结构进行分析,并比较Co负载量对复合材料可见光光催化产氢性能的影响。结果表明,该金属-半导体异质结可有效增强光生电子-空穴的分离速率。经可见光照射2 h后,当Co负载量为质量分数5%时具有最佳产氢量,且产氢速率为纯C₃N₄ NTs的1.7倍。     

Ag/多孔 g-C3N4复合光催化剂的制备及其降解四环素性能

以三聚氰胺和尿素为原料,通过水热结合热处理工艺得到多孔g-C3 N4(PCN),然后以硼氢化钠为还原剂,通过原位还原法制备了Ag/PCN复合材料.利用XRD、FTIR、UV-Vis DRS、TEM和电化学等测试对复合材料进行一系列表征.与相同条件下制备的g-C3 N4和多孔g-C3 N4相比,Ag/PCN具有更好的光吸...