石墨相氮化碳（g-C 3 N 4 ）制備工藝的改進及其光催化性能研究
發(fā)布時間：2021-10-19 05:25
地球資源的長期使用導致能源枯竭、環(huán)境惡化等問題已變得極度尖銳,在此基調下,為高效潔凈的再生能源代替?zhèn)鹘y(tǒng)資源提供了歷史契機。光催化技術可直接獲取、變換和貯存可再生太陽能,研究人員對此尤其關注。UV-Vis響應的g-C3N4不僅帶隙跨度�。�2.7 eV）,穩(wěn)定性高,電子結構獨特,而且僅由地球上儲量豐富的非金屬C和N構成,在環(huán)境清潔、制氫等領域廣泛應用。然而,g-C3N4卻有一個嚴重缺陷,即它的光生電荷分離效率低下,產生的e--h+對易重組,導致了低量子效率。因此,合理設計新的制備策略以促進光生e--h+對的分離并提高它們的壽命是現階段的主要任務�；诖�,本文從改進g-C3N4的制備方法和摻雜改性兩個方向結合起來進行研究,研究主要內容如下:采用飽和鹽溶液水熱后處理法制備了一系列鹵素摻雜的g-C3N4納米棒,并考...
【文章來源】：遼寧石油化工大學遼寧省
【文章頁數】：80 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
一些典型的半導體帶隙[20]
3（1）對特定波段光的俘獲(λ700nm)（2）電荷的激發(fā)(hγ≥Eg)（3）電荷的分離與轉移(10ns~100ps)（4）半導體催化劑表面發(fā)生光電催化反應(100ns~ms)具體來說，不同半導體的光吸收范圍不同，如圖1.2所示的光催化示意圖。首先，在可見光的照射下，半導體會俘獲特定波段的入射光，如短波長的近紫外光，當吸取的光量子(hγ)滿足“hγ≥Eg”時，VB上的電子便被誘導掙脫軌道束縛向CB躍遷，從而分別在CB和VB上產生了光生e--h+對，統(tǒng)稱為光生載流子。接著，光生e--h+對分別從CB和VB上發(fā)生分離、轉移。其中，一部分光生載流子轉移到半導體表面(途徑C和D)，另一部分光生載流子由于其電荷的各向異性而通過庫倫力相互吸引，在材料表層和內部再重組(途徑A和B)，但重組時會產生熒光或熱輻射而損失能量。最后，流體體相中的反應物或溶劑小分子經過擴散并附著到半導體表面，此時，當吸附在表面可接受電子的受體物質的電勢比半導體的CB電勢更正，以及吸附在表面可供給電子的給體物質的電勢比VB電勢更負時，半導體表面便可發(fā)生氧化還原反應，最終生成的產物再通過擴散回到流體體相中圖1.2半導體光催化示意圖[21,22]Fig.1.2SemiconductorphotocatalyticSchematicillustration[21,22]由此可見，光生e--h+對的生成和離散在整個光催化進程中承擔著至關重要的作用。然而，光生e--h+由于其有效分離-捕獲過程的速率要遠低于其發(fā)生復合的速率，
71.1。并指出了該聚合物的5種晶相構型，其具體空間模型如圖1.3所示。表1.1不同結構氮化碳的體彈性模量,結構參數和能量指數E0[45]Table1.1Bulkelasticmodulus,structuralparametersandenergyindexofcarbonnitridewithdifferentstructures[45]結構α-C3N4β-C3N4c-C3N4p-C3N4g-C3N4體彈性模量/GPa425451496448—空間群P31c(159)P3(143)I43d(220)P42m(111)P6m2(187)原子密度ρ/cm30.27260.27240.29570.28570.1776晶格常數a/nm0.646650.640670.539730.342320.47420c/nm0.470970.24041——0.67205E0/eV-1598.669-1598.403-1597.388-1597.225-1598.750研究表明，氮化碳聚合物的5種不同衍生物性質各異。其中，僅g-C3N4質地疏松，其他四種構型的硬度大到可以與金剛石相媲美，甚至硬度比金剛石還大。通常，室溫下的g-C3N4最穩(wěn)定，而β-C3N4最不穩(wěn)定。此外，在一定壓力下，它們還可以通過相變互相轉變，如在12GPa下，g-C3N4就能轉變成c-C3N4。因此，多元化形態(tài)的氮化碳材料給予了它寬廣的應用空間。多年來，先后涌現出了各種不同的重要研究成果，尤其是石墨相氮化碳材料，它作為一個無金屬的n型半導體，憑借獨特的光電結構和物理化學性質使其成為一種新型功能材料。特別是在2009年，Wang等[46]發(fā)現g-C3N4可以利用太陽光裂解水制氫，至此以后，各國學者看到了g-C3N4在清潔能源、光電催化領域的潛在應用前景，g-C3N4受到了廣泛重視。圖1.3α-C3N4(a),β-C3N4(b),c-C3N4(c),p-C3N4(d)和g-C3N4(e)的構型示意圖Fig.1.3Schematicillustrationofα-C3N4(a),β-C3N4(b),c-C3N4(c),p-C3N4(d)andg-C3N4(e)
本文編號：3444234
【文章來源】：遼寧石油化工大學遼寧省
【文章頁數】：80 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
一些典型的半導體帶隙[20]
3（1）對特定波段光的俘獲(λ700nm)（2）電荷的激發(fā)(hγ≥Eg)（3）電荷的分離與轉移(10ns~100ps)（4）半導體催化劑表面發(fā)生光電催化反應(100ns~ms)具體來說，不同半導體的光吸收范圍不同，如圖1.2所示的光催化示意圖。首先，在可見光的照射下，半導體會俘獲特定波段的入射光，如短波長的近紫外光，當吸取的光量子(hγ)滿足“hγ≥Eg”時，VB上的電子便被誘導掙脫軌道束縛向CB躍遷，從而分別在CB和VB上產生了光生e--h+對，統(tǒng)稱為光生載流子。接著，光生e--h+對分別從CB和VB上發(fā)生分離、轉移。其中，一部分光生載流子轉移到半導體表面(途徑C和D)，另一部分光生載流子由于其電荷的各向異性而通過庫倫力相互吸引，在材料表層和內部再重組(途徑A和B)，但重組時會產生熒光或熱輻射而損失能量。最后，流體體相中的反應物或溶劑小分子經過擴散并附著到半導體表面，此時，當吸附在表面可接受電子的受體物質的電勢比半導體的CB電勢更正，以及吸附在表面可供給電子的給體物質的電勢比VB電勢更負時，半導體表面便可發(fā)生氧化還原反應，最終生成的產物再通過擴散回到流體體相中圖1.2半導體光催化示意圖[21,22]Fig.1.2SemiconductorphotocatalyticSchematicillustration[21,22]由此可見，光生e--h+對的生成和離散在整個光催化進程中承擔著至關重要的作用。然而，光生e--h+由于其有效分離-捕獲過程的速率要遠低于其發(fā)生復合的速率，
71.1。并指出了該聚合物的5種晶相構型，其具體空間模型如圖1.3所示。表1.1不同結構氮化碳的體彈性模量,結構參數和能量指數E0[45]Table1.1Bulkelasticmodulus,structuralparametersandenergyindexofcarbonnitridewithdifferentstructures[45]結構α-C3N4β-C3N4c-C3N4p-C3N4g-C3N4體彈性模量/GPa425451496448—空間群P31c(159)P3(143)I43d(220)P42m(111)P6m2(187)原子密度ρ/cm30.27260.27240.29570.28570.1776晶格常數a/nm0.646650.640670.539730.342320.47420c/nm0.470970.24041——0.67205E0/eV-1598.669-1598.403-1597.388-1597.225-1598.750研究表明，氮化碳聚合物的5種不同衍生物性質各異。其中，僅g-C3N4質地疏松，其他四種構型的硬度大到可以與金剛石相媲美，甚至硬度比金剛石還大。通常，室溫下的g-C3N4最穩(wěn)定，而β-C3N4最不穩(wěn)定。此外，在一定壓力下，它們還可以通過相變互相轉變，如在12GPa下，g-C3N4就能轉變成c-C3N4。因此，多元化形態(tài)的氮化碳材料給予了它寬廣的應用空間。多年來，先后涌現出了各種不同的重要研究成果，尤其是石墨相氮化碳材料，它作為一個無金屬的n型半導體，憑借獨特的光電結構和物理化學性質使其成為一種新型功能材料。特別是在2009年，Wang等[46]發(fā)現g-C3N4可以利用太陽光裂解水制氫，至此以后，各國學者看到了g-C3N4在清潔能源、光電催化領域的潛在應用前景，g-C3N4受到了廣泛重視。圖1.3α-C3N4(a),β-C3N4(b),c-C3N4(c),p-C3N4(d)和g-C3N4(e)的構型示意圖Fig.1.3Schematicillustrationofα-C3N4(a),β-C3N4(b),c-C3N4(c),p-C3N4(d)andg-C3N4(e)
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