基于原位光辐照X射线光电子能谱(ISI-XPS)技术的光催化材料石墨相氮化碳(g-C_(3)N_(4))研究

原位光辐照X射线光电子能谱(ISI-XPS)技术用于非氧化物光催化材料g-C_(3)N_(4)分析时,由于光辐照对结合能位移影响很小而常被忽略其光照过程中的结构变化。采用自行搭建的原位光辐照XPS装置进行测试发现,相比于波长405 nm的辐照光源,波长375 nm的光源(辐照光源功率大于15 mW)辐照g-C_(3)N_(4)材料15 min,g-C_(3)N_(4)共轭结构中C和N的XPS信号相对强度均出现明显变化,这归因于光辐照诱导电子转移而导致其化学结构发生改变,为光催化机理研究提供了补充证据。同时经过实验验证,紫外光辐照后,g-C_(3)N_(4)材料表面由于能量注入引起温度升高,表面吸附的污染碳出现一定程度的减少。

易回收碳纤维/g-C_(3)N_(4)纳米片阵列制备及光催化和光电催化研究

在光催化降解领域,粉末g-C_(3)N_(4)光催化材料使用后在流体中分离和回收困难,同时也会产生二次污染。在氩气保护下,采用化学气相沉积法在三维碳纤维织物表面沉积g-C_(3)N_(4)纳米片,从而制备了易回收碳纤维/g-C_(3)N_(4)纳米片阵列光催化材料,研究了碳纤维/g-C_(3)N_(4)纳米片阵列的光学、电化学和光电催化性能。结果表明,g-C_(3)N_(4)纳米片可以吸收可见光产生光生电子和空穴,而碳纤维良好的导电性提高了易回收碳纤维/g-C_(3)N_(4)纳米片阵列光催化材料中光生电子/空穴的分离效率。降解240 min,易回收碳纤维/g-C_(3)N_(4)纳米片阵列光催化材料的电催化、光催化和光电催化对2,4-二硝基酚的降解率分别为20.7%、33.5%和99.5%。在光电催化过程中,外加偏电压加速了光生电子向阴极迁移,进一步提高了光生电子/空穴分离效率,使电催化和光催化存在协同效应。将粉末光催化材料与柔性碳纤维织物组合,提供了一种新的光催化材料组装方式,极大降低了粉末光催化材料的分离和回收成本。

贵金属修饰石墨相氮化碳(g-C_(3)N_(4))光催化产氢研究

利用光催化分解水产氢是解决世界能源危机的一个极具前景的方法。石墨相氮化碳(g-C_(3)N_(4))作为一种被广泛研究的光催化剂,如何增强其光催化性能是众多科研人员研究的热点。以贵金属修饰g-C_(3)N_(4)为出发点,通过构建电子通路,促进光生电子和空穴分离为目的。对近年来的研究成果进行总结,为提高g-C_(3)N_(4)光催化产氢性能提供帮助。

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%。

硅藻土/g-C_(3)N_(4)/氧化石墨烯复合材料的制备及其光催化性能研究

采用半封闭一步热解方法,以三聚氰胺为前驱物制备g-C_(3)N_(4),然后以圆筒状硅藻土(DE)为载体,合成DE/g-C_(3)N_(4)复合材料。并选取天然鳞片石墨为基本原料,运用Hummers法合成了氧化石墨烯(GO),在一定量的DE/g-C_(3)N_(4)粉末中加入不同质量分数的GO,得到DE/g-C_(3)N_(4)/GO三元复合光催化材料。通过SEM、BET、EDS、XRD、FT-IR对样品的晶体结构、形貌等进行表征,研究复合材料对罗丹明B溶液的光催化降解性能。结果表明,当GO的烯掺量为5%时,DE/g-C_(3)N_(4)/GO在可见光下,120min时,对RhB的降解率为93.74%,分别比DE/g-C_(3)N_(4)和g-C_(3)N_(4)提高了15.05%和31.03%。

管状g-C_(3)N_(4)/CQDs复合物制备及其光催化降解亚甲基蓝

以汉麻叶和氟化铵为原料,利用微波醇溶剂热法制备碳量子点(CQDs),然后通过搅拌旋蒸将CQDs负载到三聚氰胺和三聚氰酸的复合物前驱体上,烘干后再利用煅烧法制备了g-C_(3)N_(4)/CQDs复合物光催化剂,对其结构、组成和形貌表征分析后,通过降解亚甲基蓝(MB)评价其光催化性能.结果表明,引入CQDs致使g-C_(3)N_(4)/CQDs呈现管状形貌,且具有更高的可见光响应能力.与空白g-C_(3)N_(4)相比,g-C_(3)N_(4)/CQDs复合物表现出更高的光催化降解能力,在可见光照射下,120 min对MB的降解效率达到80.8%,而空白g-C_(3)N_(4)仅为31.9%,提高了1.53倍.机理分析表明,光催化性能的提高主要归咎于催化剂改善的形貌结构,提高的可见光响应和碳量子点加速了光电荷迁移速率.

多孔异质结g-C_(3)N_(4)/TiO_(2)光催化剂的制备及其光催化性能研究

环境污染是工业生产过程中亟需解决的一项重要问题,通过生物模板法合成了多孔异质结g-C_(3)N_(4)/TiO_(2)光催化剂,在降解甲基橙废水过程中显示高效的光催化性能。酵母菌作为软模板剂为材料提供了多孔结构和大比表面积,增加了水溶液中活性反应位点;同时,g-C_(3)N_(4)/TiO_(2)异质结结构作为电子转移通道,太阳光照射时,在内电场和库伦力作用下,氧化还原性较弱的电子和空穴互相结合,氧化还原能力较强的电子-空穴对保留下来。自由基捕获实验揭示了光照条件下复合材料周围出现的·OH和O_(2)^(-)分子,是光催化降解过程的主要作用成分。因此,生物模板法制备的多孔异质结g-C_(3)N_(4)/TiO_(2)是一种具有前景的降解有机染料废水的光催化剂。

g-C_(3)N_(4)QDs@Go/MoS_(2)二维复合半导体催化剂的合成及光催化性能研究

为了解决MoS_(2)纳米片容易堆积、导电性低的科学问题,通过水热法在MoS_(2)催化剂水热引入石墨烯增强其导电性,制备出Go/MoS_(2)纳米片,随后负载上已合成的量子点(g-C_(3)N_(4)QDS),构建出g-C_(3)N_(4)QDS@Go/MoS_(2)三元二维复合催化剂,用于光催化产氢。g-C_(3)N_(4)量子点由于其独特的电子结构和物理化学特性,其能带与MoS_(2)较为匹配,作为半导体材料也可以激发产生光生载流子,促进了整体催化产氢的效率。在本研究中复合催化剂显示出较高的光催化性能,2.5 h氢气产量为7.25μmol/g,相较于Go/MoS_(2),提升了近1.5倍。

C空位协同g-C_(3)N_(4)/BiOCl异质结对亚甲基蓝光催化降解性能的研究

采用水热法合成了含C空位的g-C_(3)N_(4),并将不同含量的BiOCl负载其上制备得到g-C_(3)N_(4)/BiOCl复合光催化剂。采用电子顺磁共振、X射线光电子能谱、扫描电子显微镜、透射电子显微镜和紫外-可见漫反射光谱等手段对光催化剂的结构、形貌以及光吸收性能进行表征。以亚甲基蓝为目标降解物,探究了C空位和BiOCl对g-C_(3)N_(4)光降解性能的影响以及复合光催化剂催化降解机理。结果表明:与BiOCl和g-C_(3)N_(4)相比,制得的复合光催化剂不仅可以调控电子结构,还能有效分离光生电子和空穴,两者协同作用增强了光催化降解亚甲基蓝的效率。当负载质量分数70%BiOCl时,g-C_(3)N_(4)/BiOCl光催化降解效率在光反应90 min时达到了88.6%,其光催化性能显著优于纯相g-C_(3)N_(4)与BiOCl。

基于Au-g-C_(3)N_(4)NS纳米复合材料的分子印迹电化学发光传感器检测叶酸

近年来,作为一种新型的二维半导体纳米材料,石墨相氮化碳纳米薄片(g-C_(3)N_(4)NS)因其优异的电化学发光(ECL)性能和良好的成膜特性在ECL传感领域备受关注。然而,g-C_(3)N_(4)NS在较高的工作电压下产生的ECL信号不稳定,而金纳米粒子(Au NPs)的引入可明显改善其发光稳定性.基于这个特点,采用原位生长法将Au NPs引入g-C_(3)N_(4)NS中,制备了一种金-石墨相氮化碳纳米复合材料(Au-g-C_(3)N_(4)NS),以其作为ECL物质固定在电极上.同时,引入具有专一识别能力的分子印迹聚合物(MIP),构建了一种检测叶酸(FA)的分子印迹-电化学发光(MIP-ECL)传感器.该传感器对FA表现出良好的选择性和灵敏响应,在优化的条件下,信号变化与FA物质的量浓度在1.0×10^(-10)~1.0×10^(-3) mol·L^(-1)的范围内呈良好的线性关系,检出限(LOD)达到0.07 nmol·L^(-1).并且探讨了检测机理,考察了传感器的稳定性和重现性,将传感器用于实际样品中FA的检测,获得满意结果.

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。

探究光催化技术在水体污染物去除中的应用——以石墨相氮化碳(g-C3N4)为例

水体污染问题已引起全球范围内的广泛关注,而光催化技术在水体污染物处理方面展现出了愈发显著的应用潜力,本文以石墨相氮化碳(g-C3N4)为例,探究了其在光催化技术领域的研究进展,并选用亚甲基蓝这种典型的染料污染物作为去除对象,分析了光催化技术在水体污染物去除中的应用。

无定型碳/g-C_(3)N_(4)制备及其光催化降解四环素性能

以葡萄糖和尿素为原料,通过高温煅烧的方法制备出无定形碳/g-C_(3)N_(4)(C/g-C_(3)N_(4))复合材料,并对无定型碳的含量进行调控。采用XRD、FT-IR、XPS、TEM、UV-Vis和光电流测试对样品的结构、形貌和光电性能进行分析。结果表明,与相同条件下制备的g-C_(3)N_(4)相比,C/g-C_(3)N_(4)复合材料具有更强的光吸收性能和光生电子-空穴分离效率。通过可见光下降解四环素对复合材料的催化性能和稳定性进行评价。结果发现:0.05%C/g-C_(3)N_(4)表现出最佳的光催化效率,其对四环素的降解速率为0.059 46 min-1,为g-C_(3)N_(4)(0.011 84 min-1)的5倍。经过5个循环实验后,复合材料的降解率没有出现明显的下降。

可见光响应TiO_(2)改性g-C_(3)N_(4)异质结光催化材料的制备与性能

采用热聚合法结合溶胶法制备了TiO_(2)改性g-C_(3)N_(4)异质结光催化材料。采用透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射仪(XRD)、紫外-可见漫反射光谱仪以及光致发光(PL)光谱仪等对其结构和性能进行了表征,研究了其对有机染料亚甲基蓝(MB)溶液的光催化降解活性。结果表明,TiO_(2)颗粒分布在g-C_(3)N_(4)的片层表面与其形成稳固的异质结结构,g-C_(3)N_(4)和TiO_(2)之间具有强烈的协同作用,提高了光催化材料在可见光区域的响应强度,并且有效地阻止了光催化材料中光生电子和空穴的复合,大大提高了催化剂的光催化反应效率。在可见光照射下,3.0 g g-C_(3)N_(4)制备的异质结复合材料对MB的降解率可达90.3%,与纯g-C_(3)N_(4)相比光催化性能有显著提高。循环测试表明该异质结光催化材料具有很好的光催化稳定性。

g-C_(3)N_(4)/CB/Au NPs修饰玻碳电极的制备及其对硫酸联氨的电化学测定

将炭黑(CB)纳米粒子与类石墨相氮化碳(g-C_(3)N_(4))混合,然后将金纳米粒子(Au NPs)掺杂其中,形成一种新型g-C_(3)N_(4)/CB/AuNPs复合纳米材料,用于修饰玻碳电极.通过扫描电子显微镜(SEM)对复合材料的形貌进行了表征.实验结果表明:g-C_(3)N_(4)/CB/AuNPs对硫酸联氨(N2H4·H_(2)SO_(4))的电化学氧化呈现极好的电催化性能.硫酸联氨的氧化电流与其物质的量浓度在2.5×10^(-5)~1.5×10^(-3)mol·L^(-1)线性范围内呈良好的线性关系,检测限为1.6μmol·L^(-1)(信噪比S/N=3).

改性g-C_3N_4在光催化领域的研究进展

介绍了石墨相氮化碳(g-C_3N_4)的电子性质、能带结构以及光学性质,讨论了各种提高g-C_3N_4活性的重要方法、机理及其优缺点,主要有掺杂改性、表面形貌改性、半导体复合改性等手段,简述了目前g-C_3N_4存在比表面积小、载流体复合率高、电子传递速度低等问题,并对g-C_3N_4的未来发展趋势进行了展望。

载银g-C_3N_4(Ⅰ)/g-C_3N_4(Ⅱ)同素异质结催化剂的制备及光催化固氮产氨性能

Ag作为助催化剂能够促进光电子的迁移,在光催化分解水制氢气、CO_2还原、重金属离子还原等反应中应用颇多,然而,到目前为止未见将Ag单质作为助催化剂用于光催化固氮产氨反应的报道。本工作制备了负载单质Ag的g-C_3N_4(Ⅰ)/g-C_3N_4(Ⅱ)同素异质结催化剂,并考察了其光催化固氮产氨的性能。采用X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)、紫外可见光谱(UV-Vis)、X射线光电子能谱(XPS)、拉曼光谱(Raman)、荧光光谱(PL)、电化学阻抗谱(EIS)、光电流分析等手段对制备的催化剂进行了表征。结果表明,Ag以单质态存在于催化剂表面。所担载的Ag的等离子体效应一方面促进了催化剂对可见光的吸收,使反应体系能产生更多的光生电子-空穴对;另一方面使得光生电子能够在g-C_3N_4与Ag单质间迁移,提高了催化剂的电子-空穴分离效率。负载Ag后g-C_3N_4(Ⅰ)/g-C_3N_4(Ⅱ)同素异质结催化剂的铵离子产生速率为1.36mg·L^(-1)·h^(-1)·g_(cat)^(-1),相比未负载Ag时(0.59mg·L^(-1)·h^(-1)·g_(cat)^(-1))大幅提高,与Pt负载催化剂相当,并且是由单纯三聚氰胺和尿素制备的g-C_3N_4的4.9倍和3.4倍。除固氮反应外,制备的载银g-C_3N_4(Ⅰ)/g-C_3N_4(Ⅱ)同素异质结催化剂在光催化还原氧气制取双氧水的反应中也表现出优良的催化性能。

Ni-P@g-C_(3)N_(4)复合材料的合成与可见光催化性能

以三聚氰胺为前驱体,采用两步热聚合法,制备了一系列石墨相氮化碳(g-C_(3)N_(4))基光催化复合材料。通过X-射线衍射光谱(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、N_(2)吸附、光致荧光光谱(PL)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)和电化学阻抗谱(EIS)等表征了其结构与光电特性。结果发现,Ni-P共掺杂可以有效改善g-C_(3)N_(4)的可见光吸收性能,减小其电化学阻抗,抑制光生载流子的复合。以可见光条件下降解亚甲基蓝(MB)溶液为探针反应研究了Ni-P@g-C_(3)N_(4)复合材料的光催化降解性能。结果表明,照射120分钟1.5%Ni/P-CN复合材料对MB的降解率为61.7%,速率常数为0.00785 min^(-1),是纯g-C_(3)N_(4)的两倍。反应体系的主要活性物种为超氧自由基(·O_(2)^(-))。经过简单处理催化剂可重复使用3次以上且活性保持稳定。

氧磷共掺杂二维石墨相氮化碳的制备及光催化性能

以三聚氰胺、草酸铵和磷酸铵为原料,采用超分子自组装法和热聚合法制备氧磷共掺杂的二维石墨相氮化碳(g-C_(3)N_(4)),通过X射线衍射、傅里叶变换红外光谱、X射线光电子能谱、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、氮气吸附脱附测试、紫外-可见光漫反射光谱、荧光光谱和电化学阻抗谱等手段对催化剂进行表征,以染料罗丹明B(RhB)在可见光下的降解来评价样品的光催化性能。结果表明:氧磷共掺杂使g-C_(3)N_(4)形貌由一维柱状变为二维堆叠片状,禁带宽度变窄,电子-空穴的分离效率提高,光催化性能提升。·O_(2)^(-)、·OH和h^(+)三种活性基团协同作用使样品对罗丹明B的降解率达到92.11%,在重复使用五次后降解率仍在85%以上,具有良好的稳定性。所制备的氧磷共掺杂二维g-C_(3)N_(4)降解罗丹明B的速率常数为0.01660 min^(-1),是纯g-C_(3)N_(4)的12.39倍,是由三聚氰胺-草酸铵超分子前驱体制得的g-C_(3)N_(4)的4.54倍。

g-C_(3)N_(4)材料在光催化能源转换领域的新进展

类石墨相氮化碳(g-C_(3)N_(4))作为当前光催化领域的热点材料,尽管在可见光响应范围和载流子的迁移/分离方面不如人意,但其不含金属、稳定性好,结构易于调控等优点依然备受关注,尤其是近年来基于g-C_(3)N_(4)的形貌与电子结构调控取得了大量的突破性进展.本文系统地综述了针对g-C_(3)N_(4)缺陷的不同改性和优化方法,从形貌调控、结构优化、构建异质结三方面介绍了g-C_(3)N_(4)光催化材料的最新研究进展,重点阐述了针对改善光催化分解水效率的各种改性优化策略.以材料的维度尺寸作为切入点介绍了不同形貌g-C_(3)N_(4)的制备方法,从掺杂与缺陷调控角度总结了g-C_(3)N_(4)结构与光生载流子分离以及催化性能的关系,并且依据不同异质结类型归纳了g-C_(3)N_(4)基光催化材料体系.最后,对g-C_(3)N_(4)基光催化材料今后的发展与面临的挑战进行了展望和总结.