硫掺杂g-C_(3)N_(4)制备及其光催化产氢性能研究

在“双碳”国家战略背景下,氢能的开发备受关注。石墨相氮化碳(g-C_(3)N_(4))因具有制备简便、带隙合适、稳定性高等优势,被认为是一种极具应用前景的产氢光催化剂。然而,在光催化体系中,纯g-C_(3)N_(4)的光生载流子转移速率较慢且易于复合,故其产氢性能通常不佳。本研究创造性地利用硫粉与尿素水溶液间的高温热聚反应,开发出一种简便且高效的硫掺杂g-C_(3)N_(4)合成策略,原位合成了二维硫掺杂g-C_(3)N_(4)纳米片(S-g-C_(3)N_(4)),系统研究了硫掺杂对g-C_(3)N_(4)光电化学性质和光催化产氢性能的影响。结果表明,硫掺杂不仅可有效增强g-C_(3)N_(4)的可见光吸收能力,而且还显著提高g-C_(3)N_(4)的光生载流子分离和转移效率。因此,S-g-C_(3)N_(4)的光催化产氢速率比纯g-C_(3)N_(4)高近10倍。

硫取代氮增强g-C_(3)N_(4)光催化产氢性能

利用取之不尽的太阳能资源进行光催化水裂解制氢是缓解全球能源危机、实现碳中和战略的一项有前景的技术。石墨相氮化碳(g-C_(3)N_(4))因成本低且稳定性高在光催化产氢领域备受关注。然而,纯g-C_(3)N_(4)存在表面积小、电子转移慢、光生载流子复合快等缺陷,产氢性能通常不佳。本研究通过直接热解硫酸铵和三聚氰胺混合物,成功实现硫物种对g-C_(3)N_(4)氮位点的原位取代,开发出一种高效的硫掺杂g-C_(3)N_(4) (S-g-CN)光催化剂。系列结构和光谱表征证实硫的成功掺杂。密度泛函理论的第一性原理计算表明S活性位对氢的吸附吉布斯自由能近乎为零(~0.26 eV),揭示S掺杂在优化H活性中间体吸附和解吸过程中起着重要作用。透射电子显微镜和原子力显微镜测试结果表明,S-g-CN具有超薄的纳米片状结构,其片层厚度约为2.5 nm。随后的氮气吸脱附等温线和光电化学性质测试结果表明,S掺杂不仅可显著增大g-C_(3)N_(4)比表面积,而且还能有效提高其光生电子-空穴对的转移、分离和氧化还原能力。得益于材料良好的结构特性,S-g-CN的光催化产氢速率高达4923 μmol·g^(-1)·h^(-1),是原始g-C_(3)N_(4)的28倍,超越诸多最近报道的其它S掺杂g-C_(3)N_(4)光催化剂。而且,S-g-CN的表观量子效率高达3.64%。本研究除了开发一种高效的光催化剂,还将为高性能g-C_(3)N_(4)基催化剂的设计提供有益借鉴。

掺硫g-C_(3)N_(4)/聚苯胺复合材料的制备及性能研究

采用界面聚合法制备掺硫g-C_(3)N_(4)/聚苯胺复合材料.通过红外光谱、X射线衍射等对掺硫g-C_(3)N_(4)/聚苯胺复合材料的结构进行表征,同时将制备的掺硫g-C_(3)N_(4)/聚苯胺复合材料应用于亚甲基蓝的降解.结果表明,掺硫g-C_(3)N_(4)/聚苯胺复合材料降解亚甲基蓝的过程遵循一级动力学,掺硫g-C_(3)N_(4)/聚苯胺复合材料光催化降解速率较高,具有一定应用前景.

碳化MoS_(2)/掺硫g-C_(3)N_(4)异质结的合成及其在可见光下催化降解罗丹明B机理

为了进一步提高聚合物半导体类石墨相氮化碳(g-C_(3)N_(4))降解有机物的活性,通过简单的水热法复合得到碳化MoS_(2)/掺硫g-C_(3)N_(4)异质结(MoSC/S-CN),并在可见光下研究其罗丹明B(RhB)的降解性能。结果表明,相较于纯g-C_(3)N_(4),最优化的MoSC/S-CN样品对可见光的吸收范围得到明显拓宽,并且在100 min内对RhB的降解效率为92.5%,比纯g-C_(3)NQ性能提高68.83%。一系列的结构和光学性质表明,掺硫后再进一步与碳化MoS_(2)耦合可以协同作用于g-C_(3)N_(4),改善g-C_(3)N_(4)的能带结构,加速光生电子空穴对的分离,有效提高光催化活性。

一维/二维PANI/g-C_(3)N_(4)复合材料的制备及其光催化性能研究

以三聚氰胺和氯化铵为前驱体通过热共聚合法制备出多孔g-C_(3)N_(4)纳米片,原位聚合法制备出一维纳米纤维PANI与多孔g-C_(3)N_(4)纳米片(PANI/g-C_(3)N_(4))复合材料。一维纳米纤维PANI具有优异电荷传输性能和良好的可见光响应,可以弥补g-C_(3)N_(4)光生电子对快速复合和可见光响应不足的缺点。多孔g-C_(3)N_(4)纳米片可以提供更多反应活性位点,同时还可以缩短光生电荷从材料内部到表面的传输距离,抑制光生载流子复合,从而提高材料光催化活性。5PANI/g-C_(3)N_(4)在180 min罗丹明B去除率达83%,经过3次循环后,对罗丹明B去除率仍保持83%,显现出优异光催化活性和稳定性。

一种类石墨状Au/g-C_(3)N_(4)催化剂的制备及其光催化性能

论文以尿素作为前驱体,采用热聚合法合成了类石墨状氮化碳(g-C_(3)N_(4))纳米片光催化剂,并将g-C_(3)N_(4)纳米片用作载体,利用化学方法成功制备合成了多种不同掺金量的Au/g-C_(3)N_(4)的复合催化剂,并在模拟太阳光(300 W氙灯)照射下,系统探究了其光催化性能和不同pH下的化学稳定性。采用X射线衍射仪(XRD)、红外光谱仪、紫外漫反射光谱仪、扫描电子显微镜等多种表征手段对样品结构和形貌进行分析和表征。研究结果表明:相比于g-C_(3)N_(4),不同掺金量的Au/g-C_(3)N_(4)复合催化剂的催化降解能力均有显著提高。当金与g-C_(3)N_(4)的质量比为3%时,Au/g-C_(3)N_(4)对甲基橙的降解率最高,并具有优异的光催化稳定性。

银硫二元掺杂聚合氮化碳光催化快速降解四环素

采用煅烧-沉积法制备了非金属硫(S)和单质银(Ag^(0))改性的g-C_(3)N_(4),对改性的催化剂进行了详细的表征.将改性的g-C_(3)N_(4)应用于光催化降解常用的抗生素——四环素,可见光下短短的28 min,就可将四环素完全降解.同时,也能快速完全降解其他有机污染物,如(15 min)罗丹明B(RhB)、(12 min)甲基橙(MO)和(150 min)卡马西平(CBZ).合成催化剂的高效光催化性能主要归因于:g-C_(3)N_(4)氧化还原电位的调节、可见光利用率的提升、复合物比表面积的增大及电子-空穴的分离率的增强.活性物种捕获实验表明,·O_(2)^(-)是最主要的反应活性物种,提出了复合物光催化快速降解四环素反应可能的机制.此外,复合催化剂具有良好的重复使用率和结构稳定性.

Bi_(2)MoS_(2)O_(4)改性g-C_(3)N_(4)光催化降解罗丹明B

为了降低石墨相氮化碳(g-C_(3)N_(4))电子空穴的复合率,采用浸渍法成功制备了Bi_(2)MoS_(2)O_(4)/g-C_(3)N_(4)异质结,并对其光催化性能进行了研究。紫外-可见漫反射光谱测得改性后的催化剂的吸收边由原来的470 nm红移至490 nm。探讨了负载比、催化剂投加量和pH对罗丹明B可见光降解率的影响。当Bi_(2)MoS_(2)O_(4)占gC_(3)N_(4)质量分数为18wt%、催化剂投加量为0.36 g/L时,该催化剂可在15 min内完全降解罗丹明B。自由基捕获实验和能带分析结果表明,该体系形成了一种Ⅱ型电子转移机制,其主要活性物种为•O_(2)^(−)。

多孔石墨相氮化碳的制备及其作为硫宿主材料在锂硫电池中的应用

以尿素和柠檬酸为前驱体,采用一步热缩聚的方法,制备了多孔石墨相氮化碳(PCN)。与传统的氮化碳相比,PCN具有更高的比表面积、孔隙含量以及更强的多硫化物吸附特性,能够承载容纳更多的硫,提高硫的利用率,降低锂硫电池多硫化物的穿梭效应。基于上述优点,以PCN为正极宿主材料的锂硫电池表现出了良好的循环稳定性。在1.0 C电流密度下循环150圈后放电比容量仍然高于700 mAh·g^(-1),在2.0 C电流密度下,循环350圈后仍然有484 mAh·g^(-1)的放电容量。