環(huán)境污染和能源危機嚴重制約著生態(tài)文明新中國的建設步伐。半導體光催化劑作為一個太陽能轉化平臺,在解決能源和環(huán)境危機方面具有極大的應用前景。在廣大的半導體家族成員中,TiO2和g-C3N4分別作為無機和有機共軛半導體的代表被廣泛研究。兩種半導體都具有著價格低廉、物理化學性質穩(wěn)定、安全無毒等優(yōu)勢。然而它們也都具有各自的劣勢,如TiO2光譜響應窄、還原能力弱;g-C3N4比表面積小、量子效率低等。因此,形貌構建、元素(離子)摻雜、表面C雜化、貴金屬沉積、異質結構建等策略被用來提高TiO2和g-C3N4的光譜響應范圍、提高量子效率。電鍍、造紙、皮革廢水中的重金屬和有機污染物嚴重威脅著人體安全和生態(tài)穩(wěn)定,光催化氧化還原技術已被廣泛的應用到這兩類污染物去除的研究中。光催化氧化有機污染物和光催化氧化還原重金屬離子的研究與機理認識已取得一定的成果。然而自然界的廢水成分復雜,光催化應用于實際廢水的治理還難以實現(xiàn)。因此,探究光催化劑在多元污染物體系中的應用和作用機理具有極其重要的意義。本文將通過形貌構建、半導體耦合、表面碳雜化和離子摻雜來提高TiO2和g-C3N4的光催化活性。然后將制備的催化劑應用于多元污染物體系并探索其光催化機理。具體研究如下:1、高活性的多孔g-C3N4(pg-C3N4)通過鹽酸(HCl)和乙二醇(EG)處理前驅體三聚氰胺制備出來。所制備的pg-C3N4被應用于對氯苯酚/六價鉻[4-CP/Cr(Ⅵ)]的復合污染物體系中,并分別探索在酸性和中性條件下的協(xié)同光催化效應。相較于單組分4-CP的光催化氧化和Cr(Ⅵ)的光催化還原,復合體系中4-CP和Cr(Ⅵ)的降解速率均得到較大提升。這意味著pg-C3N4的電子遷移開啟了4-CP和Cr(Ⅵ)之間的新的氧化還原反應。2、以水熱碳球(HCSs)為模板和結構導向劑,通過前驅體鈦酸四丁酯和三聚氰胺直接混合的策略一步制備原子級雜化的g-C3N4納米片/TiO2空心球(g-C3N4NSs/TiO2 HMSs)。所制備的g-C3N4 NSs/TiO2 HMSs,實現(xiàn)了異質結構建和形貌控制同步實現(xiàn),提高了比表面積、減小了傳質阻力,有利于光生載流子的遷移。將制備的g-C3N4 NSs/TiO2 HMSs分別應用于對氟苯酚/六價鉻[(4-FP)/Cr(Ⅵ)]和三價砷/六價鉻[As(Ⅲ)/Cr(Ⅵ)]的復合污染物體系的光催化中。所得結果令人振奮,相對單一組分,復合污染物體系中的4-FP的氧化、Cr(Ⅵ)的還原和As(Ⅲ)的氧化速率均得到了提升,表現(xiàn)出了明顯的復合體系下的污染物間的協(xié)同光催化效果。這一結果則源自于g-C3N4 NSs/TiO2 HMSs良好的電子遷移能力,在原有光催化氧化還原的基礎上,促進了4-FP/Cr(Ⅵ)和As(Ⅲ)/Cr(Ⅵ)組分間的氧化還原反應。3、以廢棄油茶殼為原料,經過水熱碳化、高溫退火、堿高溫刻蝕制備高比表面積的多孔碳球(PCMSs)。以制備的PCMSs為摻雜質和結構導向劑,通過500℃氬氣保護和500℃空氣氛圍下二次煅燒,制備PCMSs/C3N4 NSs。以制備的PCMSs/C3N4 NSs光還原Cr(Ⅵ)沉積Cr(Ⅲ),通過200℃固化制備高活性的Cr Ⅲ/PCMSs/C3N4 NSs。將制備的Cr Ⅲ/PCMSs/C3N4 NSs應用于4-FP/Cr(Ⅵ)復合污染物體系的光催化,由于Cr2O72-中的氧原子具有更低的電子云密度,復合污染物體系的4-FP的氧化、Cr(Ⅵ)的還原活性相較于單一組分在酸性條件下均取得較大提高;在中性條件下的總催化活性也得到較大提高,說明無論酸性還是中性條件下,Cr Ⅲ/PCMSs/C3N4 NSs良好的電子遷移能力均能夠很好的促進4-FP/Cr(Ⅵ)之間的氧化還原反應。
【學位單位】：南昌航空大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TQ127.11;O643.36
【部分圖文】：

圖 1-1 常見半導體光催化劑[3]圖 1-2 g-C3N4的結構示意圖[4]光催化技術在催化產氫[5]、二氧化碳（CO2）光催化還原[6]、催化有機合成[7]、有機污染物催化降解[8-9]、重金屬氧化還原[10-11]和表面自清潔上[12]均有很廣的應用�，F(xiàn)如今，為了充分利用半導體的光生 e-和 h+，人們開始將目光投向光催化劑的多元應用。如同時實現(xiàn)有機污染物的降解和產氫[13]、同步進行有機物的降解和重金屬還原等[14]。由于自然界的水體污染多為復雜多元污染物，因此，多元組分的光催化探索更具實際意義。1.1 水污染的現(xiàn)狀及治理方法1.1.1 水污染現(xiàn)狀作為人類賴以生存的基礎，水環(huán)境將成為制約人類社會發(fā)展進步的重要因素。

圖 1-1 常見半導體光催化劑[3]圖 1-2 g-C3N4的結構示意圖[4]光催化技術在催化產氫[5]、二氧化碳（CO2）光催化還原[6]、催化有機合成[7]、有機污染物催化降解[8-9]、重金屬氧化還原[10-11]和表面自清潔上[12]均有很廣的應用。現(xiàn)如今，為了充分利用半導體的光生 e-和 h+，人們開始將目光投向光催化劑的多元應用。如同時實現(xiàn)有機污染物的降解和產氫[13]、同步進行有機物的降解和重金屬還原等[14]。由于自然界的水體污染多為復雜多元污染物，因此，多元組分的光催化探索更具實際意義。1.1 水污染的現(xiàn)狀及治理方法1.1.1 水污染現(xiàn)狀作為人類賴以生存的基礎，水環(huán)境將成為制約人類社會發(fā)展進步的重要因素。

1.3.1 光催化反應機理半導體光催化劑光催化氧化有機污染物和氧化還原重金屬離子的本質均是光生 e-和 h+或活化后的表面高氧化性自由基參與的氧化還原反應。其催化機理如圖 1-3 所示[23]，光催化劑在吸收 h > Eg 的光后，e-從價帶（HOMO；VB）躍遷至導帶（LUMO；CB），使價帶分布著 h+導帶充滿 e-。e-將水中的溶解氧及催化劑表面的含氧官能團還原為超氧自由基（ O2-）， O2-又可以進一步被還原為羥基自由基（ OH）；光生 e-也可以將高價態(tài)貴金屬還原為低價態(tài)。價帶的 h+可以將催化劑表面吸附的水氧化為 OH。而 h+、 O2-和 OH 可以將有機污染物氧化為 CO2和 H2O[24]，也可以將一些低價態(tài)金屬轉化為高價態(tài)，如可以將 As(III)氧化為 As(V)[25]。當然，不是所有的光生 e-和 h+都能被利用，大部分光生 e-和 h+并沒有順利的遷移到材料的表面，而是在材料內部就發(fā)生復合，并伴隨著熒光和熱能的產生。

【參考文獻】

相關期刊論文 前4條

1 曾振興;李可心;魏凱;戴玉華;顏流水;郭會琴;羅旭彪;;一種簡單前驅體預處理策略制備多孔氮化碳和負載型多孔氮化碳及其高效可見光光催化活性（英文）[J];催化學報;2017年03期

2 曾振興;李可心;魏凱;戴玉華;顏流水;郭會琴;羅旭彪;;原位光還原法制備高分散鉑沉積多孔氮化碳復合材料及其降解水中4-氟苯酚的高效可見光光催化活性（英文）[J];催化學報;2017年01期

3 Eda Sinirtas;Meltem Isleyen;Gulin Selda Pozan Soylu;;V_2O_5-TiO_2催化劑光催化降解2,4-二氯苯酚:催化劑載體和表面活性劑的影響（英文）[J];催化學報;2016年04期

4 胡曉靜;石玉坤;朱寶林;張守民;黃唯平;;光穩(wěn)定二氧化鈦納米管負載鈀催化劑光降解甲基橙過程中的活性物種(英文)[J];催化學報;2015年02期

本文編號：2828296