CdS/In_(2)O_(3)/g-C_(3)N_(4)复合材料的制备及光催化性能研究

采用溶剂热法成功合成了一种新型的Z型CdS/In_(2)O_(3)/g-C_(3)N_(4)三元复合光催化材料。通过XRD、SEM、TEM、XPS和紫外-可见漫反射光谱仪对光催化材料的相结构、形貌、原子价态和光响应性能等进行表征,通过可见光降解苯酚评价其光催化活性。结果表明,具有零维结构的CdS、一维结构的In_(2)O_(3)和三维结构的g-C_(3)N_(4)形成了0D/1D/3D三元复合材料,该材料在180 min可有效降解90%的苯酚,降解速率是CdS的2.9倍、g-C_(3)N_(4)的6倍,且具有较高的稳定性。复合材料光催化能力的增强主要归因于三维多孔g-C_(3)N_(4)与CdS和In_(2)O_(3)形成的三维空间电场。三维多孔结构不仅有利于污染物的高效吸附,而且为光催化反应提供活性位点,三维空间和网络互连结构有利于光生电荷的定向迁移,增加载流子寿命。

自牺牲法合成氮空位g-C_(3)N_(4)/Cu_(2)(OH)_(2)CO_(3)异质结及其广谱光固氮性能

本研究采用原位自牺牲法合成了N空位掺杂的g-C_(3)N_(4)/Cu_(2)(OH)_(2)CO_(3)(VCN/Cu)异质结催化剂,该催化剂体现出优异的可见-近红外宽光谱驱动性。实验结果表明,g-C_(3)N_(4)与Cu_(2)(OH)_(2)CO_(3)之间的电荷迁移遵循“Z”型机制。氮空位的存在抑制了电荷载流子的重组,降低了界面电荷转移的能量屏障,对N 2和O_(2)的吸附和活化激发了固氮还原反应的进行,并提供了更多的反应活性位点。体系中甲醇作为空穴清除剂时O_(2)的添加对制备的催化剂的光固氮性能有显著的促进作用,在50%O_(2)和50%N_(2)混合气氛下VCN/Cu异质结催化剂的铵离子产率高达14.52 mg·L^(-1)·h^(-1)·g^(-1),是纯N 2气氛下的2.7倍,且按照“三线”光固氮机理运行。本研究为低耗、绿色环保固氮工艺提供了一条新途径。

金属有机骨架和g-C_(3)N_(4)共掺杂改性TiO_(2)光催化性能

以钛酸四丁酯、三聚氰胺、二甲基咪唑和Co(NO_(3))_(2)•6H_(2)O为原料,采用溶胶-凝胶法、高温煅烧法,将类石墨相氮化碳(g-C_(3)N_(4))和二甲基咪唑钴(ZIF-67)与TiO_(2)共掺杂,制备了TiO_(2)-g-C_(3)N_(4)-ZIF-67光催化剂。采用XRD、XPS、SEM和紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)对TiO_(2)-g-C_(3)N_(4)-ZIF-67进行了表征,对TiO_(2)-g-C_(3)N_(4)-ZIF-67光催化降解甲基橙的催化活性进行了评价,并对其催化机理进行了推测。结果表明,TiO_(2)-g-C_(3)N_(4)-ZIF-67同时包含锐钛矿及少量金红石相TiO_(2)、g-C_(3)N_(4)及ZIF-67;g-C_(3)N_(4)的加入使TiO_(2)的带隙降至2.45 eV,ZIF-67将带隙进一步降至1.91 eV;g-C_(3)N_(4)和ZIF-67的共掺杂降低了带隙,显著提高了TiO_(2)可见光吸收范围(492~649 nm);TiO_(2)-g-C_(3)N_(4)-ZIF-67形成了Ⅱ型异质结,TiO_(2)-g-C_(3)N_(4)与金属有机骨架的结合增强了TiO_(2)光催化降解甲基橙的能力。Co质量分数21.5%的TiO_(2)-g-C_(3)N_(4)-ZIF-67-2具有最佳的光催化降解甲基橙活性,在可见光照射40 min时,甲基橙降解率可达79.92%,3次循环后甲基橙降解率为58.86%(90 min),光催化反应对ZIF-67的结晶度有所影响,进而影响了循环时的光催化活性。

g-C_(3)N_(4)锚定Cu(Ⅰ)高选择性催化CCl_(4)合成2,4,4,4-四氯丁腈

以尿素和Cu(NO_(3))_(2)·3H_(2)O为前体,采用热缩合法制备了不同Cu负载量的氮化碳(g-C_(3)N_(4))基催化剂Cu/CNn(n=1、2、3),采用X射线衍射仪、傅里叶变换红外光谱、X射线光电子能谱、比表面积测试、扫描电子显微镜及透射电子显微镜对其结构和形貌进行了表征,比较了不同Cu负载量的Cu/CNn催化CCl_(4)与丙烯腈(AN)的原子转移自由基加成(ATRA)反应合成2,4,4,4-四氯丁腈(TBN)的催化性能。结果表明,Cu/CN1呈现优异的催化性能,以乙腈(MeCN)为溶剂,n(Cu/CN1)∶n(AN)=1∶1000,120℃反应12h,TBN的选择性可达96.5%,产率可达83.3%,Cu/CN作为多相催化剂,经过滤处理便可重复利用,使用7次其催化活性仍能稳定保持。基于相关的实验结果,提出了Cu/CN催化CCl_(4)和AN的ATRA反应的氧化-还原循环机理。实验结果揭示了Cu与g-C_(3)N_(4)载体的协同作用机制,为CCl_(4)深加工开发高效的催化体系提供了新的思路。

新型氮空位g-C_(3)N_(4)/Cu_(2)(OH)_(2)CO_(3)异质结的构建及广谱光催化降解有机染料的性能

本研究设计了一款不含贵金属、宽光谱响应的氮空位异质结催化剂g-C_(3)N_(4)/Cu_(2)(OH)_(2)CO_(3)(VCN/Cu),并考察了其对罗丹明B(RhB)的光催化降解性能。采用扫描电镜/透镜(SEM/TEM)、X射线衍射光谱(XRD)、X光电子能谱(XPS)、荧光光谱(PL)等分析手段对产物形貌、结构、元素能态等性质进行了表征。结果表明,VCN/Cu异质结催化剂对250~1800 nm的光均有较强吸收。VCN/Cu光催化降解RhB最大反应速率常数达到0.052 min^(-1),分别是Cu_(2)(OH)_(2)CO_(3)和g-C_(3)N_(4)的12.7倍和5.8倍,且具有优异的光催化稳定性。Cu_(2)(OH)_(2)CO_(3)一方面作为红外光吸收材料,提高了对太阳光全光谱的利用率;另一方面与VCN构成异质结,提高了光生电子-空穴的分离效率,同时VCN上的氮空位强化了对光生电子的捕获、对氧的吸附及还原作用。此外,本研究还考察了VCN/Cu异质结催化剂光催化降解RhB的机理。

基于Bi_(2)O_(3)/g-C_(3)N_(4)复合材料的自供能紫外探测器的制备及性能研究

为了获得高性能的自供能紫外探测器,结合热聚法和溶液法成功制备了Bi_(2)O_(3)/g-C_(3)N_(4)复合材料,并对其微观形貌、晶体结构、元素组成及价态进行了表征。结果表明,Bi_(2)O_(3)呈蜂窝状结构的块体,其附着在具有层状结构的g-C_(3)N_(4)纳米片上。基于该异质结制备了无需外加偏压即能工作的紫外探测器。在紫外光照射下,Bi_(2)O_(3)/g-C_(3)N_(4)光电探测器能够立即产生光电流并达到最大稳定值约0.43μA,相比于Bi_(2)O_(3)纳米块紫外探测器,其光电流提升了约1.05倍。值得注意的是,Bi_(2)O_(3)/g-C_(3)N_(4)紫外探测器还展现出了快的响应速度(约181.7 ms),并且其光电流与入射光强也具有良好的线性关系,表明该器件对不同强度的紫外光均能实现快速且稳定的探测。

TiO_(2)@H^(+)/g⁃C_(3)N_(4)复合材料的光催化产氢性能及机理分析

本文研究了TiO_(2)含量对TiO_(2)@H^(+)/g-C_(3)N_(4)异质结光催化剂产氢性能的影响。首先将石墨相氮化碳(g-C_(3)N_(4))用硫酸处理,得到酸洗氮化碳(H^(+)/g-C_(3)N_(4)),然后通过煅烧法在H^(+)/g-C_(3)N_(4)表面负载TiO_(2)得到TiO_(2)@H^(+)/g-C_(3)N_(4)复合材料,利用透射电镜、X射线衍射仪、紫外-可见漫反射仪和比表面仪对TiO_(2)@H^(+)/g-C_(3)N_(4)复合材料进行了表征,研究了其在可见光下的光催化产氢性能,探讨了TiO_(2)@H^(+)/g-C_(3)N_(4)复合材料光催化产氢机理。实验结果表明:1)煅烧法可以成功制备TiO_(2)@H^(+)/g-C_(3)N_(4)复合材料,且TiO_(2)的负载显著地提升了H^(+)/g-C_(3)N_(4)的光催化产氢性能,这主要归功于TiO_(2)/g-C_(3)N_(4)异质结的形成降低了光生电子空穴的复合速率,加快了电子的转移速率;2)实验结果还表明TiO_(2)的负载量对TiO_(2)@H^(+)/g-C_(3)N_(4)复合材料的光催化产氢性能有很大影响,当TiO_(2)含量为25%时,所制备的25-TiO_(2)@H^(+)/g-C_(3)N_(4)复合材料的光催化产氢性能最好,其光催化产氢速率为3.47 mmol·g^(−1)·h^(−1),是H^(+)/g-C_(3)N_(4)产氢速率的4.05倍,这主要归功于25-TiO_(2)@H^(+)/g-C_(3)N_(4)大的比表面积和高的光吸收度;3)所制备的25-TiO_(2)@H^(+)/g-C_(3)N_(4)复合材料还表现出良好的稳定性。

Bi_(2)WO_(6)/g-C_(3)N_(4)复合光催化剂的制备及其光催化性能研究

以尿素、硝酸铋、钨酸钠等为主要原料,在热缩聚法制备g-C_(3)N_(4)的基础上,通过水热法制备Bi_(2)WO_(6)/g-C_(3)N_(4)复合光催化剂。在模拟太阳光照射下,研究Bi_(2)WO_(6)/g-C_(3)N_(4)复合光催化剂对甲基橙的光催化降解性能。结果表明,复合光催化剂相比于单体光催化剂的性能有显著提高。在Bi_(2)WO_(6)与g-C_(3)N_(4)质量比为2∶1、水热温度为180℃、水热时间为12 h条件下,复合光催化剂的性能最好。光照时间210 min时,甲基橙降解率达到了98.15%,相比于单体Bi_(2)WO_(6)和g-C_(3)N_(4)光催化剂的效率分别提高了25.1%和37.7%,且光催化降解过程符合一级动力学方程。复合光催化剂具有优异的稳定性,经过4次重复性实验,甲基橙降解率仍达到95.17%。

SiO_(2)/g-C_(3)N_(4)复合材料的3D打印制备及对染料废水的处理性能

使用直写型3D打印的方式制备了高比表面积与多孔结构的SiO_(2)/g-C_(3)N_(4)复合气凝胶材料,并对材料的微观形貌、多孔结构进行了表征,测试了其对于模拟溶液中高浓度罗丹明B(RhB)的吸附及催化降解性能。研究结果表明,3D打印SiO_(2)块体气凝胶比表面积达482.1 m^(2)/g,具备孔隙体积为1.195 cm^(3)/g的纳米多孔结构,对RhB具有好的吸附性能。经g-C_(3)N_(4)修饰所得的SiO_(2)/g-C_(3)N_(4)复合气凝胶材料孔结构与比表面积变化不大,除仍保持较高的吸附性能外,在紫外光照下对RhB(100 mg/L)的去除率可达99%以上。经5次循环测试后SiO_(2)/g-C_(3)N_(4)复合气凝胶对RhB的去除率仍达92.98%,相比之下3D打印SiO_(2)气凝胶仅为55.75%。机理分析表明,复合材料中的g-C_(3)N_(4)可吸收光能并生成光生电子空穴对,其与H_(2)O和O_(2)作用产生氧化活性物质超氧自由基,最终均参与光催化氧化还原反应中对RhB大分子的催化氧化降解。3D打印结构具有的高比表面积实现了催化剂与RhB大分子较大的反应接触面积,提高了复合材料的光催化降解效率及循环稳定性。

球磨法制备酚醛树脂-g-C_(3)N_(4)复合材料用于可见光催化产H_(2)O_(2)的综合实验设计

该研究通过球磨法将树脂颗粒嵌到石墨相氮化碳(g-C_(3)N_(4))层状结构内,制备具有高效、稳定光催化性能的球磨改性间苯二酚-甲醛树脂-g-C_(3)N_(4)复合催化剂。具体研究了水热反应条件、球磨速度、球磨时间等对催化剂在纯水体系中、可见光条件下产过氧化氢(H_(2)O_(2))的性能的影响。通过扫描电镜、X射线衍射、BET孔径测试分析等表征手段,分别探究了球磨过程中树脂和g-C_(3)N_(4)的微观结构、晶体组成和孔隙结构变化。结合电化学阻抗谱测试,揭示了间苯二酚-甲醛树脂-g-C_(3)N_(4)复合光催化剂在纯水体系、氧气饱和条件下制备H_(2)O_(2)的机理。实验有助于培养本科生及研究生的实验设计思维和操作能力,激发学生的科研兴趣,提升其解决实际环境问题的能力。

g-C_(3)N_(4)/Pd/Bi_(2)WO_(6)光催化剂协同降解苯扎贝特机理研究

利用贵金属Pd的等离子体共振效应和形貌可控Bi2WO6的光催化协同作用,通过低温水热法设计合成具有高效可见光活性的花状g-C_(3)N_(4)/Pd/Bi_(2)WO_(6)异质结复合催化剂.在可见光照射下,异质结复合催化剂光催化降解BZF的去除率均高于g-C_(3)N_(4),g-C_(3)N_(4)/Bi_(2)WO_(6),Pd/g-C_(3)N_(4)和Bi_(2)WO_(6),其中,50%g-C_(3)N_(4)/Pd/Bi_(2)WO_(6)对BZF的去除率为96%,是Pd/g-C_(3)N_(4)的1.8倍,g-C_(3)N_(4)和Bi_(2)WO_(6)的2.7倍.基于表征分析可知,g-C_(3)N_(4)/Pd/Bi_(2)WO_(6)复合催化剂中Bi_(2)WO_(6)呈现中心辐射花状纳米结构,并与层状Pd/g-C_(3)N_(4)连接;贵金属Pd可作为电子传输的介质,促进g-C_(3)N_(4)和Bi_(2)WO_(6)Z型异质结构的形成,有利于协同提升可见光催化活性.淬灭实验和EPR表征证实了·OH是g-C_(3)N_(4)/Pd/Bi_(2)WO_(6)催化降解BZF的主要活性物质,LC-MS/MS分结果表明羟基化作用取代贝特链是BZF降解的主要路径.

g-C_(3)N_(4)/TiO_(2)可见光催化降解磺胺甲恶唑的研究

以TiO_(2)颗粒和三聚氰胺为原料,采用高温煅烧法制备g-C_(3)N_(4)/TiO_(2)复合光催化材料,研究其对仿生生态系统中磺胺类抗生素的去除效果。利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)、紫外可见分光光度计(UV-visDRS)对g-C_(3)N_(4)/TiO_(2)进行表征,并研究在可见光条件下g-C_(3)N_(4)/TiO_(2)对溶液中磺胺甲恶唑(SMX)的光催化降解效果。结果表明,g-C_(3)N_(4)/TiO_(2)具有良好的光催化活性,在可见光照射下,当g-C_(3)N_(4)/TiO_(2)投加量为0.2 g·L-1时,对初始质量浓度为200μg·L-1的SMX的去除率可达84.3%。在相同条件下,而g-C_(3)N_(4)和TiO_(2)只能分别去除21.0%和16.0%的SMX,同时在仿生系统中12.37 g·m^(-2)g-C_(3)N_(4)/TiO_(2)可以去除95.35%的SMX。通过质谱分析推测,SMX可能的降解路径分别为S—N键断裂、C—N键断裂、S—C键断裂、SMX的羟基化和SMX上氨基的硝化反应,两种可能的中间产物分别为对氨基苯磺酰胺和3-氨基-5-甲基异恶唑。

可见光下g-C_(3)N_(4)催化诱导C(sp^(2))-H芳基化喹喔啉-2(1H)-酮

建立了一种有效且简单的可见光诱导的g-C_(3)N_(4)催化的喹喔啉-2(1H)-酮的芳基化反应。该反应以乙腈为溶剂,K_(2)S_(2)O_(8)为氧化剂,具有反应条件温和、环境友好和官能团耐受性好等优点。该策略提供了一种简单的操作方法,可以获得各种中等到良好产率的3-苯基喹喔啉-2(1H)-酮化合物,最高产率达77%。

三元复合物Ag/Cu_(2)O/g-C_(3)N_(4)的制备及其光催化降解和抗菌性能研究

以尿素、硫酸铜、乙酸银为原料,采用溶液法制备了三元复合物Ag/Cu_(2)O/g-C_(3)N_(4),通过XRD、XPS、SEM、TEM、UV-Vis等手段对三元复合物的结构进行了表征;以罗丹明B为模型研究了三元复合物的光催化降解性能,以大肠杆菌和金黄色葡萄球菌为模型研究了三元复合物的抗菌性能,并探究了三元复合物的光催化降解机理。结果表明,Ag和Cu_(2)O粒子沉积在g-C_(3)N_(4)片层结构上,Ag、Cu_(2)O和g-C_(3)N_(4)三者之间的协同作用使得三元复合物的光催化降解性能和抗菌性能大幅提高。为构建用于实际水体污染处理的g-C_(3)N_(4)基复合材料提供了新思路。

g-C_(3)N_(4)/TiO_(2)复合材料的制备及可见光催化降解硝基苯

采用原位合成法在TiO_(2)纳米管上沉积g-C_(3)N_(4)对材料进行改性,通过改变尿素的质量浓度制备了一系列不同负载量的g-C_(3)N_(4)/TiO_(2)复合材料(0.2、0.3、0.4、0.5、0.6 g·L^(-1)g-C_(3)N_(4)/TiO_(2)NTs),然后在可见光条件下考察了g-C_(3)N_(4)/TiO_(2)复合材料光催化降解硝基苯的性能,并对材料做了相关的表征分析和自由基清除实验。结果表明:将g-C_(3)N_(4)负载到TiO_(2)纳米管上可以显著提高光催化活性,可能是由于g-C_(3)N_(4)和TiO_(2)之间形成了异质结,延长了载流子的寿命,阻碍了电子与空穴的复合,从而提升了复合材料的光催化活性。

g-C_(3)N_(4)基金属复合材料光催化还原CO_(2)的研究进展

光催化还原CO_(2)是缓解温室效应和解决能源短缺问题的重要手段,因此制备工艺简单、稳定性高、催化性能优秀的光催化剂成为目前研究的重点。综述石墨相氮化碳(g-C_(3)N_(4))材料的基本特性、催化还原CO_(2)的基本原理、g-C_(3)N_(4)基金属复合材料的发展现状,并阐述当前面临的挑战及未来发展方向,旨在为实现碳中和目标提供创新方向和理论支持。

Cu_(2)O/Ag/g-C_(3)N_(4)复合材料制备及其光催化降解抗生素性能

采用水热法和原位光还原法制备一系列Cu_(2)O/Ag/g-C_(3)N_(4)复合材料,采用XRD、IR、PL等对复合材料进行表征,并测试其光催化性能。结果表明,Ag和Cu_(2)O成功负载到g-C_(3)N_(4)表面,且没有破坏g-C_(3)N_(4)的结构;当溶液pH=6时,20 mg 15%-Cu_(2)O/Ag/g-C_(3)N_(4)对四环素降解率为94.3%。·OH、·O_(2)^(-)、h^(+)对Cu_(2)O/Ag/g-C_(3)N_(4)降解四环素起主要作用。光催化性能提升的原因可能是由于Ag和Cu_(2)O的加入形成异质结,增大g-C_(3)N_(4)的比表面积,降低其带隙能,使其在可见光区的吸收增强,抑制光生电子-空穴对的复合,提高了g-C_(3)N_(4)光催化性能。

g-C_(3)N_(4)/Ag/Ag_(2)O复合材料低功率紫外照射下降解罗丹明B

光催化降解技术高效、环保、节能的优点使其在环保领域具有广泛应用前景,为解决环境污染问题提供了新的思路。其中高效催化剂是实现污染物高效光催化降解的关键。g-C_(3)N_(4)半导体材料因优良的热稳定性和化学稳定性、易于合成以及能带结构易调控等优点在催化领域具有广阔的应用前景,但由于纯g-C_(3)N_(4)可见光利用率低、表面积小、导带位置较低,限制了其实际应用中的催化活性。本文通过光诱导还原方法实现了g-C_(3)N_(4)材料表面Ag/Ag_(2)O的原位负载,系统研究了Ag/Ag_(2)O负载量对材料催化性能的影响,实现低功率紫外光催化下水中罗丹明B的快速高效去除,研究发现50 mg的g-C_(3)N_(4)中在0.24 g/L的AgNO3溶液还原得到的g-C_(3)N_(4)/Ag/Ag_(2)O复合材料具有最佳的催化性能。同时将复合材料应用于实际水体中罗丹明B染料的催化降解,取得了良好催化效果。本研究为去除水环境有机物污染提供了一种高效、绿色的解决方法。

BiOI/g-C_(3)N_(4)/NH_(2)-MIL-53(Fe)三元异质结光催化剂的合成与性能研究

半导体光催化技术是解决能源危机和环境污染的有效手段。作者采用一步溶剂热法制备了Bi OI/g-C_(3)N_(4)/NH_(2)-MIL-53(Fe)三元异质结催化剂。以X射线衍射、扫描电子显微镜等表征方法对样品进行分析,以双酚S为目标污染物考察了催化剂的光催化性能,以自由基捕获实验得出·OH、h^(+)和·O_(2)^(-)在降解过程中均发挥强氧化作用,并基于催化剂光芬顿性能研究以及半导体能带结构,提出其催化光芬顿反应的可能的机理。

Z型异质结1D/2D g-C_(3)N_(5)/g-C_(3)N_(4)的构建及可见光催化降解甲基橙

以三聚氰胺和3-氨基-1,2,4-三唑为原料,通过直接热聚合法制备1D/2D g-C_(3)N_(5)/g-C_(3)N_(4)异质结光催化材料。通过XRD,XPS,SEM等表征手段对光催化材料的晶型、化学组成、形貌以及光电化学性质等进行表征。以甲基橙(MO)为目标污染物,500 W氙灯作为可见光光源,研究1D/2D g-C_(3)N_(5)/g-C_(3)N_(4)异质结光催化材料的光催化活性,同时通过活性物质捕捉实验和电子顺磁共振波谱(e1ectron spin resonance,ESR)表征研究体系的活性物质。结果表明:一维g-C_(3)N_(5)纳米棒和二维g-C_(3)N_(4)纳米片的无序堆叠增加了活性位点的数量,g-C_(3)N_(5)与g-C_(3)N_(4)之间Z型异质结的形成,提高其对可见光的吸收强度和光谱范围,抑制了光电子-空穴的复合,g-C_(3)N_(5)与g-C_(3)N_(4)相似的π-π^(*)共轭体系的相互叠加降低了电荷转移的传质阻力,提高了其光催化活性。可见光照射30 min,20 mg的1D/2D g-C_(3)N_(5)/g-C_(3)N_(4)光催化材料对50 mL浓度为10 mg/L的MO溶液几乎降解完全,反应的表观速率常数为0.14836 min^(-1),循环使用5次后,1D/2D g-C_(3)N_(5)/g-C_(3)N_(4)光催化材料对MO的光催化降解率为92.2%,这说明其具有良好的稳定性。活性物质捕捉实验和ESR表征表明:1D/2D g-C_(2)N_(5)/g-C_(3)N_(4)光催化材料光催化降解MO体系的主要活性物质是·O_(2)^(-)和h^(+),且MO的光催化降解反应是一个复杂的断键和氧化过程。