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。

羟基官能化K掺杂g-C_(3)N_(4)光催化海水合成过氧化氢

从双氰胺出发,以氯化铵、草酸铵为气体模板剂、KCl为热熔盐,经离子热缩聚反应合成了2种羟基官能化K掺杂g-C_(3)N_(4)(ACCN和AOCN),用于光催化海水合成过氧化氢(H_(2)O_(2)),考察了ACCN和AOCN的循环使用性能,并通过加入捕获剂探究了H_(2)O_(2)的合成机理。结果表明,在室温、常压、中性条件下,以空气为分子氧源、乙醇为牺牲剂、模拟太阳光为光源,实现了ACCN、AOCN光催化海水合成H_(2)O_(2),6 h时H_(2)O_(2)最高生成速率为1 622μmol·g^(-1)·h^(-1);ACCN、AOCN经离心分离后循环使用5次,催化活性基本保持不变。

g-C_(3)N_(4)负载双金属Rh@Ru催化氨硼烷析氢反应机理研究

本文采用密度泛函理论,研究了双金属Rh@Ru在g-C_(3)N_(4)上不同负载位点,确定了稳定的催化剂构型,并详细研究了该催化剂催化氨硼烷析氢的反应机理.通过比较氨硼烷析氢反应三条路径所需活化能,发现路径Ⅲ控制步骤活化能较低,而路径Ⅰ、Ⅱ所需活化能较高,反应路径Ⅲ更容易进行,Ⅰ为最优析氢路径.从微观角度揭示双贵金属Rh@Ru负载g-C_(3)N_(4)催化氨硼烷析氢的三条机理,希望为氨硼烷析氢催化剂的优化和设计提供理论信息.

CuO/g-C_(3)N_(4)复合材料在有机染料降解和超级电容器中的应用研究

采用固态热分解法制备了CuO/g-C_(3)N_(4)复合材料,通过X射线衍射(XRD)、N2吸附-脱附(BET)、紫外可见漫反射光谱(UV-vis DRS)、X射线光电子能谱(XPS)、稳态荧光光谱(PL)、瞬态光电流(TPC)、电化学交流阻抗(EIS)、电容电压特性(CV)和晶界电容特性(GCD)等表征技术对CuO/g-C_(3)N_(4)复合材料进行了全面系统的表征,应用于有机染料亚甲基蓝(MB)降解和超级电容器电极材料。CuO和g-C_(3)N_(4)复合后光谱范围显著拓宽,实现了光生载流子的高效分离,界面/表面电阻降低,使得电荷转移更加高效,这都得益于异质结的成功构建。CuO/g-C_(3)N_(4)投加量为25 mg、MB染料溶液初始质量浓度为50 mg/L、暗吸附60 min和可见光(λ>420 nm)照射60 min时,MB的降解率为90.97%,循环使用5次后MB的降解率为90.28%,表现出优异的光催化活性和稳定性。CuO/g-C_(3)N_(4)复合材料作为超级电容器阳极材料,电流密度为2 A/g时的最大比电容为379.79 F/g,电流密度为10 A/g、循环使用5000次电极材料的电容保留率和库仑效率分别为98.06%和99.54%,是一种超级电容器的理想电极材料。

科教融合与“双碳”理念下材料综合实验教学改革——以“g-C_(3)N_(4)纳米片制备及其在光催化降解中的应用”为例

基于科研成果设计了g-C_(3)N_(4)纳米片制备及其光催化降解应用实验教学项目。该项目包含了g-C_(3)N_(4)纳米片的制备和表征,并探索了在不同条件下制备得到的g-C_(3)N_(4)纳米片对有机染料和抗生素的光催化降解效率。本实验项目内容可操作性强,设备及耗材要求低,绿色安全,并且通过该实验教学项目可以有效提升学生的创新能力及综合能力,在实验教学中也实现了科教融合及“双碳”理念的落实。

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。

Ag/质子化g-C_(3)N_(4)纳米棒材料的制备及其光催化降解性能

制备了Ag负载于质子化g-C_(3)N_(4)(pCN)的纳米棒材料(Ag/pCN),对比了g-C_(3)N_(4)(CN)、表面负载Ag的CN(Ag/CN)、pCN和Ag/pCN在可见光条件下光催化降解亚甲蓝(MB)溶液的效果。结果表明,Ag/pCN光催化效率最高(92.63%),并且具有良好的稳定性;通过光电流-时间(I-t)曲线、Nyquist曲线、Mott-Schokkty曲线和捕获实验探究了Ag/pCN光催化降解MB的机理:虽然pCN的π共轭体系较CN发生变化,但由于形成了纳米棒,其比表面积的增加以及Ag负载的协同效应致使Ag/pCN具有优异的光催化性能。光催化过程中羟基自由基(·OH)是起主要作用的活性物质,其由光生电子(e^(-))与表面吸附的O_(2)反应产生以及光生空穴(h^(+))与H_(2)O或OH^(-)反应产生。

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。

B、Cu共掺杂单层g-C_(3)N_(4)电子结构及光学性质的第一性原理研究

g-C_(3)N_(4)是一种极具潜力的绿色半导体光催化剂,但其带隙较宽,对可见光利用率有限。通过元素掺杂可以有效提高g-C_(3)N_(4)的光催化性能,采用第一性原理方法研究了非金属元素B和金属元素Cu共掺杂对g-C_(3)N_(4)电子结构于光学性质的影响机理,结果表明,B、Cu共掺杂g-C_(3)N_(4)(001)表面的最稳定位点为B占据H位点,而Cu占据N2位点。B、Cu共掺杂相比单一B元素掺杂可以使g-C_(3)N_(4)(001)表面的能隙和功函数进一步下降,Cu元素的加入主要改善了B掺杂的g-C_(3)N_(4)(001)表面的电子导通能力以及对光的捕捉能力,从而提高了光催化活性。

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。

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。

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。

B掺杂对单层g-C_(3)N_(4)光催化性能调控机制的第一性原理研究

光催化技术以太阳能为驱动,在环境治理、氢能制备等领域具有十分广阔的应用前景。g-C_(3)N_(4)是一种极具潜力的绿色光催化剂,但其有限的可见光响应范围以及较宽的能隙限制了其光催化性能的进一步提高。非金属元素掺杂是一种有效提升g-C_(3)N_(4)光催化活性的方法,采用第一性原理计算的方法研究了B元素掺杂对g-C_(3)N_(4)光催化活性的影响机理,考察了掺杂前后的电子结构以及光学性能。结果表明,g-C_(3)N_(4)(001)表面的H位点是B原子掺杂的最稳定位点,掺杂能为-7.81 eV,B元素的加入使g-C_(3)N_(4)(001)表面的能隙从未掺杂的1.468 eV降低到了0.732 eV,功函数从4.055 eV降低到3.108 eV,并提高了表面C原子的反应活性,从而使得g-C_(3)N_(4)(001)表面的光催化活性得到了有效地提高。光学性质研究表明,B元素的加入使得g-C_(3)N_(4)(001)表面发生了明显的“红移”现象,使表面的光响应能力得到了提高,从而获得了更高的光催化能力。

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。

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。

光激性ZnO@g-C_(3)N_(4)异质结的制备与可见光降解亚甲基蓝

以尿素和三聚氰胺为原材料,通过热聚合制备层状多孔g-C_(3)N_(4)材料。以醋酸锌为锌源,g-C_(3)N_(4)为基体材料,水热法制备异质结构ZnO@g-C_(3)N_(4)材料。利用X射线衍射、扫描电镜、透射电镜、荧光光谱和紫外/可见光漫反射光谱等手段对ZnO@g-C_(3)N_(4)材料进行表征。结果表明,g-C_(3)N_(4)和ZnO@g-C_(3)N_(4)具有多孔片层结构,并且ZnO均匀分布于片层g-C_(3)N_(4)表面,形成异质结构。荧光光谱说明ZnO@g-C_(3)N_(4)异质结构加快了电子和空穴的迁移,降低了电子和空穴的复合率。紫外/可见光漫反射光谱监测亚甲基蓝的特征峰变化,证明了ZnO@g-C_(3)N_(4)异质催化剂可有效降解亚甲基蓝染料。ZnO@g-C_(3)N_(4)催化后离心回收循环利用,多次循环后降解效率未明显降低,说明ZnO@g-C_(3)N_(4)可以重复利用。

CoS_(x)/g-C_(3)N_(4)纳米复合材料的合成及其光催化降解四环素性能

采用简便的低温(120℃)水热法成功合成出非晶相硫化钴/石墨相氮化碳(CoS_(x)/g-C_(3)N_(4))复合材料,利用自组装的方式,让CoS_(x)能够均匀地生长在g-C_(3)N_(4)纳米片上。通过XRD,SEM,FTIR,UV-Vis DRS,BET等测试方法对纳米复合材料的结构和性能进行表征,并在可见光(λ≥420 nm)光照条件下探究其光催化降解四环素的活性。结果表明:特殊的结构设计能够提高复合材料的光催化性能。其中1%CoS_(x)/g-C_(3)N_(4)在可见光照射40 min,四环素的降解率可以达到88.3%,CoS_(x)/g-C_(3)N_(4)复合材料的光催化能力和催化活性大大提高,表现出良好的可见光光催化降解四环素的性能和稳定性。

不同形貌g-C_(3)N_(4)光催化剂的制备及性能

本工作制备了四种形貌的g-C_(3)N_(4)光催化剂,分别为不规则疏松片状g-C_(3)N_(4)-4、不均匀致密颗粒状g-C_(3)N_(4)-8、管状g-C_(3)N_(4)-24以及不规则管状g-C_(3)N_(4)-32。XRD和XPS测试结果证明四种g-C_(3)N_(4)光催化剂的成功制备。光电性能测试结果表明,中空管状g-C_(3)N_(4)-24具有良好的可见光响应、最小的阻抗及最佳的光电流响应,光生电子和空穴的分离效果最好。以碱性品红(Fuchsin basic)为模拟污染物,考察g-C_(3)N_(4)-24光催化剂的光催化降解性能,结果表明,在可见光的条件下,90 min内其对碱性品红的降解效果能达到86.7%。最后根据活性物种捕获实验对g-C_(3)N_(4)-24光催化剂的光催化机理进行研究,发现·O_(2)^(-)、h^(+)和·OH均为碱性品红降解过程中的活性物质,其中·O_(2)^(-)为最主要的活性物种。

模板法合成g-C_(3)N_(4)基复合材料及其光催化性能的研究进展

石墨相氮化碳(g-C_(3)N_(4))作为一种新型非金属高聚物半导体,具有易于合成、无毒无害、耐酸碱腐蚀、环境亲和性好等性质。独特的层状结构赋予了其较高的比表面积,适中的禁带宽度给予了其较好的光催化性能,使得其在光催化领域受到了广泛的关注。然而,纯相g-C_(3)N_(4)存在着比表面积小、活性位点不足、载流子复合过快和氧化还原能力偏弱等缺点,制约了其光催化领域的有效应用。研究表明,使用模板诱导工艺对g-C_(3)N_(4)进行结构调控可以有效解决上述问题。综述了目前常用于制备石墨相氮化碳的模板法(即硬模板法、软模板法和生物模板法),扩展讨论了多相复合工艺的进展情况,并归纳总结了g-C_(3)N_(4)基材料在光催化降解、CO_(2)转化和制氢等方面的应用情况。

Fe/g-C_(3)N_(4)表面改性及其对CO加氢产物分布的影响

采用尿素热缩合法制备了氮化碳(g-C_(3)N_(4)),经H_(2)O_(2)、NH_(3)·H_(2)O处理、浸渍法负载Fe制得改性Fe/g-C_(3)N_(4),对比研究了改性前后催化剂的CO加氢性能。结合XRD、SEM、FT-IR、CO_(2)-TPD、CO-TPD、H_(2)-TPR、接触角测试和N_(2)物理吸附-脱附等系列表征,探究了表面预处理对Fe/g-C3N4催化剂织构性质以及CO加氢产物分布的影响。结果表明,不同改性方法对催化剂的织构性质和CO加氢性能影响显著。尿素热缩合法制备的g-C_(3)N_(4)具有典型蜂窝状结构,Fe与g-C_(3)N_(4)相互作用较强,且高度分散;改性前后样品均呈亲水性,且H_(2)O_(2)、 NH_(3)·H_(2)O处理后亲水性增强,H_(2)O_(2)处理增强了表面羟基,NH_(3)·H_(2)O处理增加了表面氨基,促进了CO吸附,促使Fe(NCN)物相生成;预处理后的催化剂表面碱性增强。在CO加氢反应中,两步改性后的Fe/AM-g-C3N4催化剂,CO_(2)选择性降至11.61%;Fe/AM-g-C_(3)N_(4)表面碱性增强,抑制了烯烃二次加氢,烯烃选择性较高,C_(2)^(=)-C_(4)^(=)达32.37%,O/P值3.23。