g-ZnO/石墨烯异质结光电性质的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了g-ZnO/石墨烯异质结的几何结构、稳定性、电子结构和光学性质。结果表明,g-ZnO/石墨烯异质结的晶格失配率为0.4%,层间距为0.339 nm,结合能为-1 347 eV,形成的是范德瓦尔斯异质结。进一步研究g-ZnO/石墨烯异质结的能带结构发现g-Zn O的能带曲线几乎没有变化,石墨烯的零带隙结构被打开,产生0.064 eV的直接带隙。此外,g-Zn O/石墨烯异质结在低能区有高的吸收系数和光电导率,是制造光伏器件和光探测器的优异材料。

g-ZnO基异质结电子结构及光催化性能的第一性原理研究

二维材料g-ZnO在光催化领域受到广泛关注,但由于宽带隙和电子空穴对复合的缺点,在光催化应用领域受到限制,如何提高g-ZnO的光催化性成为非常具有研究价值的问题,搭建g-ZnO基异质结是一种有效的解决办法。采用GGA+U方法,研究了g-ZnO和g-ZnO/X异质结的稳定性、电子结构及光学性质。结果表明:与g-ZnO相比,异质结体系带隙均减小,内部电子转移产生内置电场,解决了g-ZnO宽带隙和电子空穴对复合的问题。异质结体系均表现出明显的红移现象,其吸收带边拓展至可见光区域,说明异质结提高g-ZnO对可见光的吸收能力,其中g-ZnO/WS异质结的结合能最低且带隙最小,同时光学性质分析证明该异质结体系在可见光区域的红移程度最明显、吸收率峰值最高、静介电常数最大,以上结果证明g-ZnO/WS异质结的电子结构和光学性质表现最好,可推测该异质结将最有利于提高g-ZnO光催化活性,为其在光催化领域的应用提供新方向。

双轴应变对g-ZnO/WS_(2)异质结电子结构及光学性质影响的第一性原理计算

单层g-ZnO由于吸收光谱宽而受到研究者关注,但载流子复合是单层g-ZnO作为光催化剂无法避免的问题,如何降低电子空穴对复合率,提高单层g-ZnO对可见光利用率成为值得研究的问题,搭建异质结并对其进行双轴应变是一种可行的办法。本文采用第一性原理方法,研究双轴应变对g-ZnO/WS_(2)异质结电子结构及光学性质的调控规律。结果表明:g-ZnO/WS_(2)异质结禁带宽度为1.646 eV,由于异质结体系内部产生内置电场,降低了其光生载流子的复合率,同时异质结光吸收带边拓展至可见光区域。对异质结实施应变后,除压缩应变(-2.5%)体系外,其余应变体系吸收带边均出现红移现象,并且红移程度和对电荷的束缚能力均随着应变的增加而增强。相比于未实施应变的体系,应变体系对光生电子载流子的阻碍作用更强,其光催化能力得到更大提高。以上结果说明搭建g-ZnO/WS_(2)异质结并对其进行双轴应变对异质结的电子结构及光学性质具有显著的调控作用,使其在窄禁带及红外、可见光半导体器件和光催化材料等领域具有应用价值。

ZnO/g-C_(3)N_(4)异质结光催化材料的制备及对吡啶的降解

采用蒸发溶剂-高温热聚合法制备了ZnO/g-C_(3)N_(4)异质结光催化材料,采用XRD、FTIR、TEM、XPS、UV-vis DRS、PL、TPC和EIS等表征技术对其进行了详细系统的表征,评价了ZnO/g-C_(3)N_(4)光催化降解吡啶的活性和稳定性,采用L_(9)(3^(4))正交实验考察了不同因素对光催化性能的影响,并对光催化机理进行了探讨。XPS和TEM结果证明了ZnO和g-C_(3)N_(4)之间异质结的形成,异质结的形成有效促进了光电子-空穴的分离,提高了光吸收,拓宽了光谱范围。在ZnO/g-C_(3)N_(4)复合光催化剂投加量为50 mg、ZnO与g-C_(3)N_(4)质量比为1∶2、吡啶初始质量浓度为20 mg/L和体系p H为7.0的条件下,可见光照射60 min后ZnO/g-C_(3)N_(4)对吡啶的光催化降解率达到了98.9%,循环使用5次后光催化降解率为97.3%,具有良好的稳定性。ZnO/g-C_(3)N_(4)光催化降解吡啶主要依赖于活性基团超氧自由基(·O_(2)^(-))和空穴(h^(+))的作用。

氧化锌/石墨相氮化碳复合材料的制备及其光催化研究进展

光催化是一种环境友好型技术,能够有效解决环境污染和能源短缺问题,具有广阔的应用前景。其基本原理是半导体催化剂在光照条件下产生具有强氧化还原能力的活性物种,这些活性物种可用来净化污染物、制备氢气、碳还原等。氧化锌/石墨相氮化碳(ZnO/g-C_(3)N_(4))复合材料具有新颖的结构,以及优良的导电、防光腐蚀等性能,一直是光催化领域的关注热点。ZnO/g-C_(3)N_(4)能有效提高光生载流子的分离效率和可见光利用率,从而提高其光催化性能。主要介绍了ZnO/g-C_(3)N_(4)复合材料的发展现状、制备方法,以及该复合材料在光催化降解污染物、抗菌、析氢、CO_(2)还原等领域的应用,并对未来研究方向进行了展望。

g-C3N4/ZnO复合光催化剂降解污染物的研究进展

ZnO具有光催化活性强、稳定性高等优点,然而,ZnO禁带宽度大,只能吸收紫外光,太阳能利用率低;且其光生电子易与空穴复合,量子效率低。g-C3N4是一种窄带隙半导体,与ZnO复合形成异质结,不仅可以提高太阳光利用率,而且能加快载流子转移,提高光催化性能。通过文献研究综述了g-C3N4/ZnO复合光催化剂的四种复合形式,以及g-C3N4、ZnO与其他物质复合而成的三元、四元复合材料,并对g-C3N4/ZnO复合光催化剂的未来发展方向进行了展望。

可见光响应光催化降解罗丹明B动力学研究

采用水热法分别制备了ZnO/CdS、BiVO_(4)/g-C_(3)N_(4)两种可见光响应光催化剂,针对光催化降解致癌物罗丹明B进行了实验研究。通过X射线粉末衍射表征,发现在温和条件下成功合成了光催化材料。其中,随着ZnO的掺杂,CdS的结晶度下降,粒径尺寸变小。紫外可见漫反射表明两种催化材料具有可见光吸收能力。质量比为1︰5的ZnO/CdS和80℃下制备的BiVO_(4)/g-C_(3)N_(4)有最高的降解率,降解反应符合一级动力学过程。

ZnO复合石墨相氮化碳纳米片的制备及其光催化性能研究

为了提高石墨相氮化碳光催化性能,本文以尿素、硫脲、醋酸锌为前驱体,通过氧化热剥离与共混煅烧法分别制备g-C_(3)N_(4)_(2)纳米片和ZnO/g-C_(3)N_(4)_(2)异质结复合材料,并采用TEM、FTIR、XRD、UV-Vis DRS、BET等表征手段对制备的催化剂进行结构表征。以罗丹明、大肠杆菌为探针,考察了催化剂的光催化降解性能和抑菌活性。结果表明:以尿素和硫脲为前驱体,经过氧化热剥离处理后能得到的g-C_(3)N_(4)_(2)D纳米片,其比表面积更大、光催化性能更加优异,且其对罗丹明的降解率较未剥离的g-C_(3)N_(4)_(2)提高了21.2%。在40 min氙灯照射下,纯g-C_(3)N_(4)_(2)并未表现出良好的抑菌性能,而通过ZnO复合制备的ZnO/g-C_(3)N_(4)_(2)异质结复合材料,在光催化降解率和抑菌活性方面均有很大提高,其中复合20%ZnO制得的ZnO异质结复合材料表现出最佳的光催化性能,在60 min氙灯光照下,对质量浓度为10 mg/L的罗丹明溶液降解率达到了91.2%。20%ZnO/g-C_(3)N_(4)_(2)对大肠杆菌表现出优异的抑菌活性,经过40 min氙灯照射后,其对浓度为106cfu/mL菌悬液抗菌率达到100%。石墨相氮化碳可以通过氧化热剥离增大比表面积,然后再与金属氧化物ZnO复合,通过减小禁带宽度,扩大可见光的利用范围,从而达到提高光催化性能的目的。

ZnO/g-C_(3)N_(4)复合物制备及其光催化降解罗丹明B性能

以ZnO和C_(3)H_(6)N_(6)为原料,将两者按一定质量比混合得到前驱物,通过煅烧该前驱物可成功获得ZnO/g-C_(3)N_(4)复合物.采用XRD、SEM、UV-Vis和BET等方法对复合物的物相、形貌、组成、可见光吸收性能以及比表面积大小等进行表征.以罗丹明B(RhB)为目标污染物,在可见光激发下,探究了不同g-C_(3)N_(4)负载量的ZnO/g-C_(3)N_(4)复合物的光催化性能.结果表明,g-C_(3)N_(4)含量约为10%的复合物光催化降解RhB效果最好,30 min左右降解率接近100%,两种半导体复合能够实现光学性能上的优势互补.

ZnO/g-C_(3)N_(4)复合光催化剂降解及产氢性能研究

本文采用热聚合法和水热法成功制备了ZnO/g-C_(3)N_(4)系列复合光催化剂,并对所制备样品的结构、形貌和光吸收性能等进行了表征和测试,通过在可见光照射下降解亚甲基蓝(MB)和光解水产氢评估了样品的光催化性能。实验结果表明,制备的ZnO/g-C_(3)N_(4)系列复合光催化剂性能均优于ZnO和g-C_(3)N_(4)样品。此外,当ZnO和g-C_(3)N_(4)的摩尔比为1∶1时,所制备ZnO/g-C_(3)N_(4)复合样品的光催化性能最好。一方面,此样品仅在30 min后便达到了94.36%的降解率,其降解速率分别是ZnO和g-C_(3)N_(4)的5.6和6.7倍;另一方面,此样品6 h光解水产氢量为11.75 mmol,产氢速率是g-C_(3)N_(4)的7倍。研究表明,所制备的ZnO/g-C_(3)N_(4)系列复合光催化剂在降解污染物和光解水产氢方面均展现出了优异的性能。同时,本文还对ZnO/g-C_(3)N_(4)系列复合光催化剂的光催化降解和产氢机理进行了研究。

ZnO-CeO_(2)/g-C_(3)N_(4)三元复合催化剂的制备及其对活性红195的光催化降解性能

采用热聚合法和水热法制备了ZnO-CeO_(2)/g-C_(3)N_(4)三元复合催化剂,并以活性红195为目标污染物进行了光催化降解实验。表征结果显示,CeO_(2)和ZnO被成功负载到g-C_(3)N_(4)表面。实验结果表明:当Ce(NO_(3))_(3)·6H_(2)O投加量为0.11 g时制备的催化剂光催化性能最佳,紫外光下反应60 min活性红195的去除率可达91.7%,优于CeO_(2)/g-C_(3)N_(4);酸性条件有利于活性红195的降解,最佳溶液pH为3.0。ZnO-CeO_(2)/g-C_(3)N_(4)三元复合材料中任意两种组分之间带隙错开,形成了Ⅱ型异质结构,增强了光生电子-空穴的分离效率,可诱导更多的活性物质参与光降解过程。

ZnO/g-C_(3)N_(4)复合光催化剂的制备及对罗丹明B的降解

以ZnO和石墨相氮化碳(g-C_(3)N_(4))为前驱体,采用混合法制备ZnO/g-C_(3)N_(4)复合光催化剂,通过扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、瞬态荧光光谱(PL)、傅里叶红外光谱(FT-IR)和紫外可见漫反射光谱(DRS)、比表面积(BET)等手段对ZnO/g-C_(3)N_(4)复合光催化剂进行表征,研究了ZnO/g-C_(3)N_(4)复合光催化剂对罗丹明B溶液的光催化降解性能、循环使用性能以及光催化降解动力学。结果表明:ZnO/g-C_(3)N_(4)复合光催化剂具有晶格结构且峰面较为尖锐,比表面积达到了42.359 7 m^(2)/g;当ZnO/g-C_(3)N_(4)复合光催化剂质量浓度为4.0 g/L时,其对罗丹明B溶液的光催化降解率为95.6%,光催化降解反应为一级动力学反应;经过5次循环使用后,ZnO/g-C_(3)N_(4)复合光催化剂对罗丹明B的光催化降解率仍达到了87.3%。

复合光催化剂ZnO/CoO/g-C_(3)N_(4)的制备及性能研究

为了弄清复合光催化剂ZnO/CoO/g-C_(3)N_(4)的制备和性能,采用XRD和SEM对材料进行表征和分析,研究了煅烧温度和ZnO/CoO与g-C_(3)N_(4)质量比的影响。以亚甲基蓝(MB)作为模拟污染物,研究了ZnO/CoO/g-C_(3)N_(4)的光催化性能,并通过电化学工作站研究了其电化学性能。结果表明:煅烧温度为550℃、ZnO/CoO与g-C_(3)N_(4)的质量比为1∶0.5的样品XRD效果最好;与单一或双组分体系相比,ZnO/CoO/g-C_(3)N_(4)三组分复合体系具有更好的光催化和电化学性能。

ZnO/g-C_(3)N_(4)复合光催化材料降解四环素研究

以ZIF-8为前驱体衍生立方多孔ZnO,通过分段煅烧ZIF-8/g-C_(3)N_(4)得到ZnO/g-C_(3)N_(4)复合光催化剂。催化剂的形貌、结构和光电性能表征表明,g-C_(3)N_(4)与立方多孔ZnO形成紧密异质结结构,且具有较大的比表面积和可见光吸收范围。可见光催化降解水环境污染物四环素(TC)的实验结果表明,与单纯的ZnO和g-C_(3)N_(4)相比,ZnO/g-C_(3)N_(4)形成的异质结在增加对TC吸附的同时具有高效的降解效果。当g-C_(3)N_(4)的添加量为0.2 g时,复合催化剂在40 min内对TC的降解效率为87.57%,降解速率为0.044 min^(-1)。光生空穴(h+)和超氧自由基(·O_(2)-)是参与降解TC的主要活性物质,而ZnO/g-C_(3)N_(4)的Ⅱ型异质结界面可以促进这两种自由基的产生,促进光催化过程进行。

g-C_(3)N_(4)/ZnO异质结光催化降解罗丹明B性能

以尿素和无水醋酸锌为原料,通过热聚法进行制备不同n(g-C_(3)N_(4)):n(ZnO)的g-C_(3)N_(4)/ZnO异质结催化剂,并对其进行物理-化学结构表征,以罗丹明B(rhodamine B,RhB)的降解为模板对其进行光催化活性反应测试。结果表明:有效的异质结界面可以在g-C_(3)N_(4)/ZnO中构建;g-C_(3)N_(4)/ZnO具有较好的紫外光催化降解RhB性能;当n(g-C_(3)N_(4))∶n(ZnO)为40∶1时,RhB的降解率为98.8%。

石墨相碳化氮复合材料的制备及其可见光光催化性能的研究

目的提高半导体石墨相氮化碳(g-C_3N_4)的光催化性能。方法通过Hummers法和半封闭一步热裂解法制备了氧化石墨烯(GO)和g-C_3N_4,再分别利用溶剂热法、热缩聚法和浸渍化学还原法制得相应的TiO_2/g-C_3N_4、ZnO/g-C_3N_4、RGO/g-C_3N_4复合材料。采用X-射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)、紫外-可见漫反射吸收光谱(UV-Vis DRS)和傅里叶变换红外光谱(FT-IR)等手段对复合材料进行表征,并以降解罗丹明B(Rh B)来评价其在可见光下的光催化性能。结果以尿素与三聚氰胺的混合物为原料通过热裂解法制备的g-C_3N_4,比使用纯尿素制备的g-C_3N_4具有更优的催化效果。TiO_2、ZnO、RGO的引入提高了g-C_3N_4的光催化活性,Rh B的降解率分别为95.6%、95.0%、78.1%。RGO质量分数为2.0%时,RGO/g-C_3N_4复合材料的催化效率最高。结论通过g-C_3N_4特殊的能带调控优势与TiO_2、ZnO、RGO的协同作用,提高了复合材料在可见光区的吸收强度和电子传导能力,进而提高了在可见光下的光催化性能。

g-C3N4/ZnO复合材料的制备、表征及可见光催化性能

以一步法原位合成了g-C3N4/ZnO异质结复合材料,评价其在可见光下降解亚甲基蓝（MB）的光催化活性,并探讨了g-C3N4/ZnO的光催化机制。运用XRD、FTIR、SEM和UV-Vis DRS对所合成的复合材料进行表征。结果表明,经复合后g-C3N4和ZnO紧密结合,构建了异质结,提高了光生电子空穴的分离效率,并且在可见光区表现出较强的光响应性;当g-C3N4的质量分数为19%时,复合材料g-C3N4/ZnO降解MB的反应速率常数为0.020 6 min-1,是纯g-C3N4的3.8倍。催化剂重复使用5次,仍保持较高的光催化活性。

g-C3N4/ZnO复合光催化剂的制备及其光催化活性

以硝酸锌、三聚氰胺、氢氧化钠为原料,采用回流法合成g-C_3N_4/Zn O复合光催化剂。利用傅里叶红外光谱(FTIR),X射线衍射(XRD),扫描电子显微镜(SEM),紫外可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)及N_2吸附-脱附(BET)等技术对所合成样品的组成和形貌进行表征。在模拟太阳光条件下,以亚甲基蓝为模拟污染物评价催化剂的活性。结果表明,g-C_3N_4加入量为5wt%,煅烧温度500℃,煅烧时间2 h条件下制备的复合光催化剂具有最佳的光催化活性。5wt%g-C_3N_4/Zn O复合光催化剂在反应40 min时对亚甲基蓝的降解率可达到98.5%,其光催化降解速率为纯Zn O的2.8倍。

Ag/g-C_3N_4/ZnO复合光催化剂的制备及光催化性能

合成了一种新型的三项的异质结光催化剂Ag/g-C_3N_4/ZnO,银离子在光照下沉积在g-C_3N_4/ZnO的异质结上,通过Ag的表面离子共振,不仅提高了可见光的吸收,同时也作为一种很好的电子受体促进光生电子的转移。在g-C3N4和ZnO的界面,光生电子从g-C3N4的导带转移到ZnO的导带上,阻止了光生电子空穴对的复合。因此三项异质结的Ag/g-C_3N_4/ZnO复合材料显示出了最高的光催化活性。

热聚合法制备ZnO/g-C_3N_4复合光催化剂及其光催化性能研究

以尿素、乙酸锌为前驱体,采用热聚合方法制备ZnO/g-C_3N_4复合光催化剂。通过X射线衍射、扫描电镜、红外光谱、紫外-可见光光谱及X射线电子能谱,对样品的晶体结构、形貌及光学性质进行表征。以紫外灯为光源,以酸性红(AR)为废水降解模型考察复合材料的光催化活性。结果表明:制得的复合光催化剂光催化性能要好于纯g-C_3N_4,且当ZnO∶g-C_3N_4=0.5∶1(摩尔比)时,光催化活性最高。复合后的光催化剂对反应底物有更强的吸附能力,能更有效地抑制电子-空穴的复合。进一步对AR的降解机理进行了探讨,发现超氧根自由基(O-·2)是使AR有效降解的活性物种。