gc3n4基可见光响应型催化剂可控构筑与性能评价-controllable construction and performance evaluation of gc3n4 - based visible light responsive catalyst.docx

g-C3N4 基可见光响应型催化剂可控构筑与性能评价摘要类石墨型氮化碳（g-C3N4）作为无金属掺杂的新型可见光响应半导体光催 化材料越来越受到人们的关注。为进一步增强 g-C3N4 材料的光催化活性，本 论文在研究 g-C3N4 材料的基础上，通过原位生长技术与其它无机半导体 （TiO2，CdS 等）复合，构筑有机-无机异质结，提高光量子效率，加速电子转 移，降低电子空穴复合几率，增强光催化活性。实验采用热解法，分别以双氰胺和三聚氰胺为前驱体制备 g-C3N4，采用 X 射线衍射（XRD）、红外光谱（FT-IR）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显 微镜（TEM）、Zeta 电位测试、比表面积测试（SBET）和紫外-可见漫反射光谱 测试（UV-vis DRS）对所有 g-C3N4 进行表征分析。并通过实验研究发现，以 三聚氰胺为前驱体，在 500 ℃煅烧 2 h 制备的 g-C3N4 样品（CN-M500）的综 合性能优异。RSM 优化分析结果表明，CN-M500 光催化降解 MB 的最优工艺 参数是：催化剂用量为 3.61 g/L；MB 浓度 6.89 mg/L；溶液 pH 为 9.74；反应时间为 41.2 min，且预测值与实验验证结果基本吻合，证明了模型的可靠性， 由光催化机理可知，CN-M500 的光催化性能稳定，回收利用率高，且研究发 现 CN-M500 对 MB 染料的吸附与光催化协同作用是加快染料降解的关键，同 时材料的表面电性对 CN-M500 样品的吸附与光催化协同效果有直接影响。实验采用原位生长技术，原位构筑 CdS/g-C3N4 异质结。建立一种湿化学 法，确定了 CdS 的实际负载含量。通过 XRD、FT-IR、TEM、SBET、UV-vis DRS，对不同负载比例 CdS/g-C3N4 复合材料的晶体结构进行对比分析。并通过 实验研究发现，CdS 含量为 73.3 %的复合样品（CCN-73.3）光催化活性最高， 对 MO 的脱色能力最好。RSM 优化分析表明，CCN-73.3 复合样品光催化降解MO 的最优脱色参数是：催化剂用量为 2.56 g/L；MO 浓度为 6.33 mg/L；溶液 pH 为 4.68；反应时间为 9.89 min，且模型预测值与实验验证结果基本一致， 证实了所选模型的可靠性。光催化机理分析表明，CCN-73.3 的光催化稳定性 高，且 CdS/g-C3N4 异质结的形成，加速了电子空穴转移，有效抑制了 CdS 的 光腐蚀，并大幅增强了 CdS/g-C3N4 复合光催化剂的光催化活性，而且 CdS 负 载量的降低将有效阻止 CdS/g-C3N4 光腐蚀的发生。实验通过原位生长技术，使紫外光响应的 TiO2 与可见光驱动的 g-C3N4 光催化材料复合，原位构筑 TiO2/g-C3N4 异质结。采用热重分析（TGA）手段， 确定了 TiO2/g-C3N4 中 TiO2 的实际含量。通过 XRD、FT-IR、TEM、SBET、UV- vis DRS，对比研究了不同 TiO2 含量异质结的晶体结构。并通过实验研究发 现，TiO2/g-C3N4 复合材料中 TiO2 的最佳负载量为 74.8 %（TCN-74.8），且在该 比例下获得的复合材料综合性能最为优异。RSM 结果表明，TCN-74.8 光催化 降解 MB 最佳脱色参数是：催化剂用量为 3.82 g/L；MO 浓度为 16.04 mg/L； 溶液 pH 为 10.84；反应时间为 110.77 min，且预测值与验证结果只存在很小的 误差，这充分证明了模型的可靠性。光催化机理分析表明，TCN-74.8 是一种 可回收利用的优秀光催化材料。TiO2 与 g-C3N4 两种半导体间形成的异质结， 能够抑制了电子与空穴的复合，加快 TiO2 与 g-C3N4 对染料的脱色速率。关键词 g-C3N4；异质结；可控构筑；光催化；协同效应Controllable Fabrication and Performance Evaluation of g-C3N4-based Visible Light Response PhotocatalystAbstractGraphite like carbon nitride (g-C3N4) has attracted much attention as a new type of metal-free semiconductor photocatalytic material with visible light response. Because of its water-insolubility, good chemical stability and non-toxicity, wh