热剥离g-C_(3)N_(4)纳米片的合成及光催化性能研究

以三聚氰胺为前驱体,合成块状g-C_(3)N_(4)(CN),再经简单的热剥离技术,成功制备多孔g-C_(3)N_(4)纳米片(CN-S)光催化剂。系统研究了不同热剥离时间对CN-S光催化还原Cr(VI)性能的影响。结果表明:经4 h热剥离后获得的样品CN-S(4h)比表面积和孔体积分别为191.88m^(2)·g^(-1)和1.109cm^(3)·g^(-1),而CN的比表面积和孔体积分别是7.82m^(2)·g^(-1)和0.092cm^(3)·g^(-1),说明热剥离可显著提升材料比表面积和孔体积,增加表面有效活性位点,延长可见光在其内部的多重散射,缩短光生电子-空穴对从材料内部迁移至表面的传输距离。此外,热剥离处理形成的碳空位可增强光生载流子分离效率。由此CN-S(4h)光催化还原Cr(VI)的效率达到99.0%。

三氧化二铟/B元素掺杂的g-C3N4催化剂的制备及性能研究

以三聚氰胺和四苯基硼酸钠为原料,采用热解法制备了B元素掺杂的g-C_3N_4催化剂(CNB),然后将其与In_2O_3复合,经过煅烧后制备了具有不同配比的In_2O_3/CNB,同时考察了In_2O_3/CNB降解甲基橙、亚甲基蓝的光催化活性。结果表明:(1)In_2O_3/CNB的光催化活性较In_2O_3均提高,其中In_2O_3、CNB质量比为0.10时In_2O_3/CNB的甲基橙、亚甲基蓝降解率均达到最高,分别为47.6%、73.5%。(2)加入清除剂(过氧化氢酶、对苯醌、异丙醇、草酸铵)后催化剂的光催化活性均有较明显的降低。·OH、h^+、·O_2^-和H_2O_2在光催化过程中均起显著作用,特别是·O-2起最主要的作用。适量的In_2O_3与CNB复合可显著抑制光生电子和空穴对的复合,提高了光生电子和空穴对的分离效率,进而提高了In_2O_3/CNB的光催化活性。

多孔化改性对g-C_3N_4/CdS复合光催化剂制备及光催化活性的影响

以三聚氰胺盐酸盐为前驱体,用高温缩聚方法制备多孔化改性的类石墨相氮化碳(pg-C_3N_4)材料;用水热法制备CdS纳米中空微球,用沉积法将pg-C_3N_4与CdS有效复合,制备pg-C_3N_4/CdS复合光催化剂;用X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、Fourier变换红外光谱(FTIR)、紫外可见光谱(UV-Vis)、荧光光谱及电化学阻抗谱对样品进行表征;用可见光催化降解染料罗丹明B(RhB)对其光催化活性进行评价,并给出pg-C_3N_4/CdS光催化降解RhB的机理.结果表明:石墨相氮化碳(g-C_3N_4)的多孔化改性有利于其与CdS间形成紧密界面,进而促进pg-C_3N_4/CdS光生电子-空穴的分离和传递,有效提高了其光催化活性和稳定性.

低光照强度下Fe掺杂g-C_3N_4/PVDF膜的光催化降解性能研究

以三聚氰胺和前躯体盐为原料,采用半封闭热解法在g-C_3N_4中引入Fe元素。结构分析表明,Fe能够通过化学键合进入g-C_3N_4的骨架结构中形成掺杂型g-C_3N_4。通过将催化剂与聚偏氯乙烯(PVDF)制成复合膜,考察了Fe引入前后g-C_3N_4在低光照强度下紫外光催化降解甲基橙的光催化活性。研究发现g-C_3N_4/PVDF复合膜具有吸附-迁移-光降解的链锁效应,其光降解率达到11.85%,优于g-C_3N_4粉体的2.5%;Fe的引入能提高光催化性能。在Fe掺杂体系中,光催化性能随Fe含量的提高呈现先增加后减小的趋势,在Fe含量为1.65%(wt,质量分数),热解温度为600℃时,降解率最高达到35.38%。

低光照强度下氧化石墨烯-g-C_3N_4/PVDF膜的光催化降解性能研究

基于π-π非共价掺杂的原理,采用半封闭高温烧结法制备了GO/g-C3N4。结构分析表明,GO与g-C3N4发生了相互作用。考察了GO引入前后g-C3N4在低光照强度下紫外光降解甲基橙的光催化活性。结果表明,掺杂适量的GO能够提高g-C3N4的光催化活性,当烧结温度为500℃、GO掺杂量为0.5wt%,热解温度为500℃时光催化降解率最高,达到39.50%。

金属镍掺杂g-C_3N_4的制备及其光降解性能

采用浸渍法制备不同掺杂量的负载型光催化剂Ni/g-C_3N_4,并考察其在可见光照下对亚甲基蓝的光降解性能。利用XRD、FT-IR、SEM、TEM、XPS、N2-sorption和ICP-OES等手段表征Ni/g-C_3N_4样品。研究表明,Ni/g-C_3N_4催化剂的光催化活性随着金属镍粒子掺杂量的增加而增大,随着亚甲基蓝浓度的增大而减小,其中金属镍掺杂量4.0wt%的样品4-Ni/g-C_3N_4表现出优异的光催化活性和光降解稳定性。这是由于4-Ni/g-C_3N_4样品的光降解过程中产生了超氧自由基、羟基自由基和空穴等活性物质,其中超氧自由基起主导作用。金属Ni0离子在光生电子作用下生成Ni^(2+),O_2分子得到电子生成O_2~·-自由基。这些活性物质的产生有助于光生电子-空穴对的分离和抑制其复合速率,从而实现可见光下高效催化降解亚甲基蓝。

g-C_3N_4/双钙钛矿复合材料的制备及氧催化性能

通过溶胶-凝胶法制备出不同Ni掺杂比例的双钙钛矿Sr_2Ni_xCo_(2-x)O_6(x=0.2,0.4,0.6,0.8),通过热分解法制备出具有层状结构的纳米颗粒g-C_3N_4,并制备其复合物催化剂。将双钙钛矿和g-C_3N_4分别制备成双功能电极片,用于测试其对氧还原(ORR)和氧析出(OER)的催化活性,然后选取具有最佳氧催化活性的Ni掺杂比例x=0.4的双钙钛矿与一定重量比例的g-C_3N_4进行复合,测试复合催化剂的氧催化活性。结果表明,复合后的催化剂催化效果明显优于单一催化剂,当g-C_3N_4添加量占双钙钛矿的30%(w/w)时复合催化剂催化氧还原反应的最大电流密度为395.7 mA·cm^(-2)(-0.6 V vs Hg/HgO),氧析出反应的最大电流密度为372.0mA·cm^(-2)(1 V vs Hg/HgO),这表明g-C_3N_4与Sr_2Ni_(0.4)Co_(1.6)O_6复合后协同催化能够提高双钙钛矿的氧催化活性。

g-C_3N_4碳位掺杂电学及光学性质的分析

使用第一性原理研究了C位掺杂的g-C3N4的电学性质和光学性质,掺杂原子为B、P、S.g-C3N4有C1位和C2位两种对称位碳原子,其中在C1位上的掺杂易于C2位,掺杂体系也较C2位稳定.相比于磷和硫在gC3N4上的掺杂,硼掺杂最易于进行.掺杂后体系的晶体结构之间差别较大,这与掺杂原子的大小以及电负性有关.由轨道布居分布可知,掺杂后的硼、磷、硫原子价电子发生了变化,表明掺杂原子发生了杂化,与相邻原子以强的共价键相连.掺杂原子与被取代的碳原子之间的价电子差异导致了能带的增加.在原来的体系中,掺杂后的体系出现了一条新的能带,因此导致实际带隙下降,表明了掺杂后的体系导电性能增强.对纯g-C3N4及掺杂g-C3N4的光学性质分析表明,g-C3N4的光学吸收主要在紫外光区,掺杂磷和硫后对g-C3N4的光吸收波长范围无改变,掺杂硼后的g-C3N4光吸收不再局限于紫外光区,而且延伸至可见光区和红外光区,并在红外光区有很强的吸收,表明g-C3N4掺杂硼后能大大地提高光催化效率.电子能量损失光谱和光导率谱以及介电常数都佐证了上述观点.

铒掺杂g-C3N4催化剂的合成及其红光催化降解活性的研究

石墨相氮化碳(g-C3N4)的研究已成为光催化领域热点。本文以三聚氰氨为前驱体,采用甲醇回流法制备Er掺杂的g-C3N4催化剂。利用扫描电镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)、X射线衍射仪(XRD)、紫外-可见-近红外分光光度计(UV-Vis-NIR DRS)、傅里叶红外光谱仪(IR)、荧光光谱(PL)、物理吸附(N 2-physisorption)及共聚焦显微镜(CLSM)等手段对Er/g-C3N4催化剂进行系统表征。结果表明,稀土金属Er高分散于g-C3N4上,促使氮化碳表面氮空穴的产生。Er掺杂优化了氮化碳的能带结构,增强了其对可见光的吸收,提升电子-空穴对的分离效率,此外还发现Er/g-C3N4具有较强的上转换能力。在660 nm红光LED照射下,对罗丹明B的水溶液进行光催化降解,发现Er/g-C3N4的降解速率是g-C3N4的2.0倍,且发现超氧自由基为该体系中的主要活性物种。

K^+掺杂g-C3N4污泥基复合材料的制备及其光催化性能

以水性油墨废水絮凝污泥、三聚氰胺和K2CO3为原料,采用煅烧法制备了K^+掺杂石墨相氮化碳污泥基复合材料(AC/K-CN),利用XRD、UV-Vis DRS、FTIR、XPS、BET、SEM和PL光谱对AC/K-CN的晶体结构、形貌和光电性能进行了表征。可见光照射下,将AC/K-CN用于光催化降解阳离子蓝X-GRRL。结果表明,AC/K-CN对阳离子蓝X-GRRL的光催化活性明显高于纯石墨相氮化碳(g-C3N4)或碳化污泥(AC),这归因于AC/K-CN有效的电子-空穴分离。与AC和纯g-C3N4相比,AC/K-CN在模拟日光下对质量浓度为20 mg/L的阳离子蓝X-GRRL的降解率分别提高了43.17%和46.76%。

微波辅助法合成S掺杂g-C_3N_4降解孔雀石绿染料废水

通过微波辅助热解分别制备了g-C3N4及S掺杂g-C3N4催化材料,采用N2保护法合成了S掺杂g-C3N4催化材料。利用X射线粉末衍射仪(XRD)、透射电镜(TEM)、紫外可见漫反射(UV-Vis DRS)、傅里叶红外光谱(FTIR)及X射线光电子谱(XPS)对样品进行了表征,并分析了材料对孔雀石绿废水的光催化降解效果。结果表明,微波辅助热解制备的S掺杂g-C3N4光催化降解效果最佳。对质量浓度为10mg/L的孔雀石绿废水在投加S掺杂gC3N4为1g/L的条件下,经过3h光照对孔雀石绿的降解可达90%。

磷钨酸掺杂高比表面积g-C_3N_4催化剂的制备及其光催化性能

以三聚氰胺、磷钨酸(HPW)为原料SBA-15为模板剂,成功制备了HPW掺杂高比表面积g-C_3N_4。采用傅里叶红外变换(FTIR)光谱、X射线衍射(XRD)光谱、X光电子能谱(XPS)、氮气吸附脱附(BET)、扫描电镜(SEM)、紫外可见(UV-Vis)漫反射光谱、荧光(PL)光谱进行表征。结果表明,比表面积的增加以及HPW的掺杂均能够提高催化剂的光催化性能,降低带隙能,降低光生电子-空穴的复合几率。以罗丹明B(Rh B)为考察对象,对催化剂在氙灯照射下的催化活性以及稳定性进行考察。结果表明,HPW掺杂的高比表面积g-C_3N_4催化活性最高,反应速率常数为0. 0269 min-1,是块状g-C_3N_4的13倍,且循环使用4次后的光降解活性几乎不变。以叔丁醇、对苯醌、乙二胺四乙酸二钠为自由基(·OH)、自由基(·O2-)和空穴(h+VB)的捕获剂,研究了光催化反应机理。

Fe掺杂对改善g-C_3N_4结构提升光催化活性的影响

石墨相氮化碳已经成为光催化领域、特别是光催化材料领域的研究热点。本文以尿素为原料,引入少量的硝酸铁改性,制备了不同含量的Fe掺杂的g-C_3N_4催化剂。采用SEM、XRD、IR、XPS、UV-Vis、PL等手段对催化剂样品表征。结果表明,Fe的掺杂有利于g-C_3N_4的剥离,影响了g-C_3N_4的能带结构,增强了其对可见光的吸收,提高电子-空穴对的分离效率。并以罗丹明B水溶液模拟废水,在可见光下考察催化剂的光催化降解性能,发现当Fe掺杂量为0. 3%时效果最佳,降解速率是g-C_3N_4的1. 62倍,且研究发现超氧自由基与空穴是该体系下的主要活性物种。

第一性原理研究O和S掺杂的石墨相氮化碳(g-C_3N_4)_6量子点电子结构和光吸收性质

利用密度泛函和含时密度泛函理论研究了氧(O)和硫(S)原子掺杂的石墨相氮化碳(g-C_3N_4)_6量子点的几何、电子结构和紫外-可见光吸收性质.结果表明:掺杂后(g-C_3N_4)_6量子点杂质原子周围的C-N键长发生了一定的改变,最高电子占据分子轨道-最低电子未占据分子轨道(HOMO-LUMO)能隙显著减小.形成能的计算表明O原子取代掺杂的(g-C_3N_4)_6量子点体系更稳定,且O原子更易取代N3位点,而S原子更易取代N8位点.模拟的紫外-可见电子吸收光谱表明,O和S原子的掺杂改善了(g-C_3N_4)_6量子点的光吸收,使其吸收范围覆盖了整个可见光区域,甚至扩展到了红外区.而且适当的杂质浓度使(g-C_3N_4)_6量子点光吸收在强度和范围上都得到明显改善.通过O和S掺杂的比较,发现二者在可见光区对(g-C_3N_4)_6量子点的光吸收有相似的影响,然而在长波长区域二者的影响有明显差异.总体而言,O掺杂要优于S掺杂对(g-C_3N_4)_6量子点光吸收的影响.

钾离子掺杂g-C_3N_4催化剂的制备及其性能研究

以硫脲为前驱体,KNO3为掺杂剂,用热聚合法制备了不同钾离子掺杂量的石墨相氮化碳可见光催化剂。利用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、傅里叶红外变换光谱(FT-IR)、紫外可见漫反射(UV-VisDRS)和荧光分光光度计(PL)等分析手段对催化剂的结构和性质进行了一系列表征,并将催化剂在可见光下对亚甲基蓝有机染料水溶液进行光催化降解。结果表明,钾离子的引入没有改变g-C_3N_4的本体结构,钾离子掺杂的系列催化剂吸收边带发生明显的红移现象。实验结果表明,K0.3-C_3N_42 h内对亚甲基蓝的降解率达到94%,表现出最佳的光催化活性;对催化剂进行4次重复性实验后,降解率仍然达到80%左右。

氰基和氧改性g-C3N4吸附氧气的第一性原理研究

采用第一性原理密度泛函理论模拟研究了氰基和氧改性的单层石墨相氮化碳(g-C3N4)结构模型、禁带宽度、态密度(DOS)和分波态密度(PDOS),以及氧气在其表面上的吸附行为.在Dmol3模块中建立了g-C3N4、氰基改性g-C3N4和氧掺杂g-C3N4结构模型.相对g-C3N4,氰基改性g-C3N4和氧掺杂g-C3N4的价带位置没有移动,导带位置均下移.基于氧气在g-C3N4、氰基改性g-C3N4和氧掺杂g-C3N4的吸附能和吸附后O-O键长,系统分析了氧气在其表面上的吸附行为.结果表明氧气在催化剂表面的吸附均为物理吸附.

C/N自掺杂提高g-C3N4光响应的理论研究

依托半导体的光催化性能对环境中的污染物进行降解是解决环境污染的一种有效途径.类石墨烯相C3N4(g-C3N4)具有稳定的化学性能和独特的电子结构,在光催化领域展现出巨大的应用潜力.采用第一性原理,本文对不同比例的C/N自掺杂g-C3N4的晶体结构和电子结构进行了探究.通过不同掺杂位形成能的比较,探究了单原子替位掺杂和多原子表面转移掺杂的最优化结构.通过电子结构的比较发现:C原子自掺杂较N原子自掺杂形成能更低,易于在实验中实现;随N掺杂比例的增加,g-C3N4的吸收光谱向红外移动;C掺杂比例为1/12时对可见光的响应最强.该理论结果除获得掺杂的微观机理解释,亦利于对后续实验的合成提供理论依据和指导.

Fe^(3+)掺杂g-C_3N_4粉体的制备及其光催化性能

以硝酸铁和三聚氰胺为原料,采用热解法制备Fe^(3+)掺杂类石墨相氮化碳(g-C_3N_4)。利用XRD、SEM、BET、UV-Vis等对试样进行了表征。以亚甲蓝溶液为模拟污染物,对试样进行了光催化性能评价。结果表明:Fe^(3+)掺杂有利于增加g-C_3N_4的比表面积、降低带隙能和改善对可见光的吸收。当Fe^(3+)掺杂量为0.3wt.%时,制备的Fe^(3+)/g-C_3N_4光催化性能最佳,在高压汞灯照射240 min时,对亚甲蓝的降解率为83.7%,比纯g-C_3N_4光催化性能提高44.6%。

多孔结构盐酸/g-C_3N_4光电阴极的制备和表征

论文采用一种新的热蒸发方法,在FTO基底上制备了经过盐酸处理的石墨相氮化碳(g-C_3N_4)薄膜,并对其进行物理性能和光电化学性能的表征,最后将其与纯g-C_3N_4薄膜进行对比。研究结果表明盐酸处理的g-C_3N_4可构建一种可控多孔结构,并且适量的盐酸添加会改进膜的形貌,增加其表面态;同时有助于加快电荷转移速率,并减轻电极/电解质界面的电荷复合,从而提高聚合物光电阴极的光电化学活性,证明多孔结构的g-C_3N_4薄膜是一种有前途的光电阴极材料。

掺杂型g-C3N4在光催化领域的研究进展

日益增长的能源消耗使得环境压力不断加剧,寻求有效解决水体污染的途径成为了材料学科的热点课题之一。类石墨相氮化碳（g-C_3N_4）是一种具有类似石墨烯结构的聚合物,其独特的电子结构和化学性质使其拥有了良好的光催化性能,可广泛应用于太阳能转换和污染物降解。本文针对掺杂型g-C_3N_4,主要综述了非金属元素掺杂型g-C_3N_4、金属元素掺杂型g-C_3N_4和混合元素掺杂型g-C_3N_4在光催化领域的应用进展;最后对掺杂型g-C_3N_4的发展趋势进行了展望。