论文摘要
环境污染和能源问题目前仍是困扰人类可持续发展的难题。为了解决这一难题,人们展开了治理污染、保护环境的科学研究。半导体光催化技术是利用光照射半导体产生的导带电子和价带空穴,进行氧化还原降解有机污染物或者分解水制取氢能的技术。由于该过程本质是将太阳能转化为化学能,所以半导体光催化技术有望成为解决环境和能源问题的一条有效途径。TiO2由于成本低、氧化能力强、化学性质稳定、无二次污染等优点而备受重视,是目前应用最广泛的纳米光催化材料之一,也是具有良好开发前景的绿色环保光催化材料。但是,较宽的带隙降低了其对太阳光的利用率。因此,TiO2对太阳光的利用率很低,如何吸收利用更多太阳光,提高其在可见光下的光催化活性,一直是众多科研工作者的研究课题。另外,开发新型光催化剂材料以增强对可见光谱范围的吸收也成为当前光催化剂研究领域的热点内容。最近,Wang等发现石墨相C3N4可以分解水产生氢气,并且利用金属修饰可以降解有机污染物。因此,我们期望用新型可见光光催化材料C3N4和原有的光催化材料复合,以获得更高性能的可见光响应的光催化剂。本文通过高温热解法,以普通便宜的尿素为原料,合成了具有可见光响应的石墨结构的C3N4光催化材料。同时制备了一系列N-X/C3N4（X=NaNbO3, TiO2,锑酸）光催化剂,以光催化降解罗丹明B表征其光催化性能,并探讨了其光催化机理,主要工作内容如下:1.采用加热不同比例的NaNbO3和尿素制备了一系列的光催化材料,通过X射线衍射、拉曼光谱、傅里叶红外光谱、X射线光电子能谱、紫外-可见吸收光谱等对所制备的样品的物相组成和晶体结构进行了表征,结果表明:所制备的样品包括氮掺杂的铌酸钠以及碳氮化合物C3N4。降解罗丹明B的光催化性能测试结果显示,和纯的NaNbO3相比,NaNbO3和尿素质量比为1:60时,显示出最高的光催化活性。以上结果表明,非金属氮化碳可以作为一种光敏剂,它所具有的可见光吸收以及在N-NaNbO3与C3N4之间的电荷转移的能力是提高NaNbO3光催化活性的主要原因。2.以四氯化钛、C3N4为前躯体,合成了一系列不同比例的N-TiO2/C3N4复合光催化剂。利用X射线衍射、拉曼光谱、紫外可见吸收光谱、荧光光谱、X射线光电子能谱、以及表面光电压谱等手段对催化剂的晶相组成、吸光性能、形貌、所含元素等进行了表征。XRD和Raman光谱结果显示,引入的C3N4能抑制金红石相TiO2的形成并且N-TiO2/C3N4复合光催化剂在引入C3N4后对紫外-可见光都有很强的吸收。XPS结果表明所制备的样品包括氮掺杂的TiO2以及碳氮化合物C3N4。随着C3N4量的增加,SPS信号逐渐增强。而且在日光灯下光催化降解罗丹明B活性结果表明:我们所制备的TiO2在引入C3N4后,都表现出增强的光催化活性。并且在我们研究的体系中,通过把所制备的样品当做在染料敏化太阳能电池的工作电极测量其光电流来证明罗丹明B的自敏化降解。3.研究了具有d10电子组态烧绿石结构的可见光响应新型光催化剂锑酸和氮掺杂的锑酸的光催化活性。在可见光下,锑酸和掺氮的锑酸在光催化降解罗丹明B方面均表现了比商业用P25更高的光催化活性。其中,纯的锑酸在没有明显的可见光吸收时,在降解罗丹明B方面表现出最高的光催化活性,这可以归因于罗丹明B的自敏化降解。而氮掺杂的锑酸具有可见光吸收,在降解苯酚的实验中,表现出最高的光催化活性。另外,在可见光照射下,甲醇和硝酸银分别作为空穴及电子捕获剂存在时,锑酸和氮掺杂的锑酸的·OH自由基形成的顺序和降解苯酚的顺序一致,这和降解罗丹明B的顺序刚好相反。我们认为在可见光下降解的能力和产生·OH自由基的速率是否一致主要取决于所用反应物是否具有自敏化降解的能力。