石墨相氮化碳的剥离及其在光催化中的应用

摘要.............................................................................................................................. I Abstract ....................................................................................................................... II 目录............................................................................................................................. IV 第一章绪论.. (1)

1.1 引言 (1)

1.2半导体光催化剂概述 (2)

1.2.1光催化原理 (2)

1.2.2光催化剂常见应用 (3)

1.2.2.1 光解水制氢 (3)

1.2.2.2 降解有机污染物 (4)

1.2.2.3 还原CO2 (5)

1.2.3 光催化剂研究现状 (6)

1.3石墨相氮化碳的剥离及其复合材料制备研究概述 (6)

1.3.1结构及其性质 (6)

1.3.2制备方法 (7)

1.3.3剥离方法 (7)

1.3.3.1 热氧化剥离 (8)

1.3.3.2 超声剥离 (8)

1.3.3.3 化学剥离 (8)

1.3.3.4 其它剥离方法 (9)

1.3.4 剥离态g-C3N4基复合材料常见应用 (9)

1.3.4.1光催化环境治理 (9)

1.3.4.2光催化制氢 (10)

1.3.4.3 在其它领域应用 (10)

1.4 本论文选题依据及主要研究内容 (10)

1.4.1 本论文选题依据 (10)

1.4.2 本论文主要研究内容 (10)

参考文献 (12)

第二章化学剥离法制备两性石墨相氮化碳纳米片胶体及其性能研究 (25)

2.1 引言 (25)

2.2 实验部分 (25)

2.2.1 主要试剂与仪器 (25)

2.2.1.1 实验试剂 (25)

2.2.1.2 实验仪器 (26)

2.2.2 石墨相氮化碳的制备及其剥离 (26)

2.2.2.1 块体g-C3N4的制备 (26)

2.2.2.2 块体g-C3N4的剥离 (26)

2.2.3 材料的性能测试及表征 (27)

2.3 结果与讨论 (27)

2.3.1石墨相氮化碳胶体稳定性的表征 (27)

2.3.2 石墨相氮化碳剥离态纳米片的表征 (30)

2.3.3石墨相氮化碳纳米片胶体两性特性的表征 (33)

2.4 小结 (33)

参考文献 (35)

第三章碱处理法制备石墨相氮化碳胶体及其光催化性能研究 (38)

3.1 引言 (38)

3.2 实验部分 (38)

3.2.1主要试剂与仪器 (38)

3.2.1.1 实验试剂 (38)

3.2.1.2实验仪器 (39)

3.2.2石墨相氮化碳胶体的制备 (39)

3.2.3 材料的表征 (39)

3.2.4 光催化性能测试 (40)

3.3 结果与讨论 (40)

3.3.1 剥离态石墨相氮化碳的表征 (40)

3.3.2剥离态石墨相氮化碳的光催化性能研究 (47)

3.3.3剥离态石墨相氮化碳的光催化活性物种检测 (48)

3.4小结 (49)

参考文献 (50)

第四章静电自组装法制备g-C3N4纳米片基复合相光催化剂及其性能研究 (54)

4.1 引言 (54)

4.2 实验部分 (54)

4.2.1 主要试剂与仪器 (54)

4.2.1.1主要试剂 (54)

4.2.1.2实验仪器 (55)

4.2.2材料CdS/CNNSs和BiOBr/CNNSs的制备 (55)

4.2.3材料的测试及表征 (56)

4.2.4 光催化性能测试 (56)

4.3结果与讨论 (56)

4.3.1 CdS/CNNSs和BiOBr/CNNSs的表征 (57)

4.3.2 CdS/CNNSs和BiOBr/CNNSs光催化性能测试 (60)

4.3.3 CdS/CNNSs和BiOBr/CNNSs光催化机理研究 (62)

4.4小结 (63)

参考文献 (64)

第五章总结与展望 (67)

致谢 (69)

攻读硕士期间论文发表情况 (70)

第一章绪论

1.1 引言

随着工业的加速发展，能源匮乏和环境恶化逐渐成为威胁人类可持续发展的两大难题。为此，开发可再生清洁能源及有效治理环境污染对国民经济腾飞、人们健康生活具有重大的战略意义。1972年日本科学家Fujishima首次发现在紫外光照射下，TiO2电极上可以分解水制H2，从此拉开了半导体光催化领域的大幕，开辟了人类直接利用太阳能的新途径[1]，同时，它具有低成本、零污染、高化学稳定性等优点，引起了学术界对半导体光催化剂的广泛关注[2-4]。尽管目前TiO2基光催化剂在环境净化和太阳能转换方面取得了重大进展，但因其只有紫外光活性而不能充分利用太阳光所以在实际中难以得到有效应用[5-7]。目前，通过修饰TiO2来提高光催化性能的方法较多，包括金属及非金属参杂[8,9]、贵重金属沉积[10,11]、染料敏化[12,13]、形成异质结[14,15],以及开发新型光催化等[16-18]，但依旧不能满足人们的期望。

最近，一种类石墨烯的氮化碳高聚物材料引起了科学家的重点关注。相较于TiO2，g-C3N4具有合适的带宽（~2.7 eV），能吸收可见光[19]。此外，非金属g-C3N4高聚物赋予了其环境友好，物理化学性质稳定等优点，并可通过多种简单廉价的方法获得，例如煅烧氰胺、双氰胺、三聚氰胺、尿素等[20-23]。作为一种新型非金属可见光驱动的光催化剂，g-C3N4已经在光解水制氢、还原CO2、降解有机污染物、有机合成反应中的催化剂等方面得到充分应用[24-27]。然而，高的光生电子-空穴对复合率严重限制了其光催化性能。尽管相关研究表明，通过修饰g-C3N4包括元素参杂、形成异质结构等方法能降低光生电子-空穴复合率[28-31]，但是制备可控纳米尺寸形貌的g-C

N4已经被作为一种更为有效解决上述问题的方法

[32-34]。受石墨烯研究的启发，科学家对通过剥离层状化合物来获得二维(2 D)纳米片结构产生了巨大的兴趣[35-37]。尤其在光催化材料上，纳米片催化剂因其具备独特的性质，如高比表面积、极薄的厚度、丰富的表面基团等，已经被当成未来杰出的明星材料[38-41]。

近期，类石墨烯结构，2D g-C3N4纳米片已经被成功的制得，且其在能源、环境、电化学、生物检测等领域都有着优异表现[42-45]。但是，目前只能通过长时间超声剥离、强酸化学剥离等方法获得产率较低的氮化碳纳米片胶体，不能满足需求[46,47]。因此，如何通过一种节能、简单、安全的方法来大规模制备g-C3N4纳米片胶体是当前研究的首要任务，也是本论文的研究重点。