改性聚合氮化碳的简易制备及光催化性能研究
随着全球人口增长和工业发展，化石能源消耗逐年增加，由之引发的能源危机和环境污染问题日益严重，而有效利用取之不尽、用之不竭的水资源和太阳能等可再生资源是解决当前问题最具潜力的手段之一。然而，地表接收到的太阳能具有能量密度低且分散不均匀、不连续、不稳定等缺点，高效利用太阳能的相关技术发展还很缓慢。在众多太阳能利用方式中，光催化技术可将低密度的太阳能转化为高密度的化学能，在水分解制氢、污染物降解、二氧化碳还原、固氮、有机物定向转化等方面具有潜在的应用价值，有望缓解日益严峻的能源和环境危机，从而受到了科学家的广泛关注。 光催化技术的核心是光催化剂，而聚合氮化碳(CN)作为一种对可见光响应的非金属光催化剂，因具有无毒、成本低、稳定性好、能带结构适宜等优点，在近些年引起了研究者的极大兴趣。然而，CN的光生电荷复合效率高，比表面积小，可见光吸收范围窄(λ＜460nm)，其光催化活性还远未达到工业化应用要求。形貌调控、元素掺杂、缺陷引入、异(同)质结构建等结构改性方法是提高CN光催化活性的常用手段，但存在实验条件苛刻、污染严重或产品成本高等缺点。基于此，本论文研发了简单、高效、新颖的CN结构改性方法，有效提高了其光催化活性，并对光催化活性增进机理进行了系统阐述。 本论文主要研究内容如下: (1)将商业三聚氰胺(MA)分散于酸溶液中进行简单搅拌处理，得到由纳米棒构成的介孔三聚氰胺(MMA)，其比表面积增加约40倍。然后以MMA和气体模板(NH4Br)混合物为前驱体，通过简单煅烧，成功制备了纳米薄片构成的多级介孔CN(HMCN)。相较于本体CN，HMCN的比表面积增加了约4倍，光吸收更强，电荷分离效率更高。因此，HMCN表现出更高的光催化水分解产氢和污染物降解活性，其可见光催化产氢速率和降解罗丹明B速率分别为本体CN的8.9和11.2倍，活性氧物种(如·O2-)产生速率也显著提高。HMCN具有优异的化学稳定性，其制备方法可为其它介孔CN光催化材料的合成提供有益借鉴。 (2)室温搅拌MA和三氯异氰尿酸的乙醇悬浮液，促使三氯异氰尿酸水(来自乙醇中残留和空气)解，得到负载氰尿酸(CYA)颗粒的纳米带状MA，并通过进一步煅烧，成功制备出介孔CN(MCN)同质结。相较于本体CN，MCN同质结具有更高的光生电荷分离效率、更大的比表面积和更强的可见光吸收性能，其可见光催化水分解产氢速率提高了5倍，并且表现出更快的单线态氧产生速率和更高的光催化降解有机物活性。MCN同质结的建立缘于材料中同时存在富介孔和少介孔区域，且两区域的能带结构不同并相互匹配，这为CN同质结的构建提供了有力的理论指导。 (3)通过机械球磨CN中间体(如蜜勒胺)并进一步煅烧，成功制备出富介孔氮缺陷型CN(mCNv)。mCNv的形成缘于球磨致使中间体内大量分子间氢键被破坏并引起结构扭曲和形貌畸变，从而影响了煅烧过程中的分子缩聚。相较于本体CN，介孔和缺陷的协同作用使所制备mCNv的比表面积增加，纳米片厚度明显降低，可见光吸收光谱范围扩大，光生电荷分离和迁移速率显著提高，可见光催化水分解产氢速率提高了6.3倍。本工作提供了一种可在CN中同时形成缺陷和介孔的易于工业化的新技术。
聚合氮化碳;同质结;产氢;多级介孔;光催化性能
山东大学
硕士
材料物理与化学
李海平
2021
中文
TN304.18;O643.361
2021-08-30（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）