MSx-Ag/g-C3N4的合成及其光催化性能研究

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由于有机污染物引起的环境问题越来越严重,特别是水资源的污染。光催化技术利用太阳能实现了到化学能的转化,可对有机废水进行有效降解,是一种绿色便捷的水处理技术。在可见光响应半导体的最新发展中,二维石墨相氮化碳(g-C3N4)作为一种n型半导体,因其无金属、成本低、易于热制备、无毒和高光稳定性等特点而得到广泛研究。使用单一相的g-C3N4材料仍具有一些局限性,如光生载流子容易复合,可见光利用率较低等,因此光催化量子效率偏低。为解决上述问题,本课题选择其他p型或n型半导体与g-C3N4复合以构筑p-n异质结或n-n异质结,以提高材料的光催化活性。由于金属Ag具有表面等离子体共振效应,因此通过光沉积法在g-C3N4表面引入金属银颗粒,可大幅提高电荷的分离效率。过渡金属硫化物(MSx)普遍具有较窄的禁带宽度,能提高对太阳光的利用率,因此本课题选择不同的过渡金属硫化物(Cu S,Mo S2,Sn S2)与Ag/g-C3N4复合,并选择代表性染料污染物罗丹明B(Rh B)考察不同材料的光催化性能,主要内容如下:(1)以硫脲为前驱体,于马弗炉中550℃煅烧,并通过二次煅烧获得片层石墨相氮化碳g-C3N4,利用光沉积法将Ag负载于上,调节Ag的负载量为3%,5%,10%,15%,选出性能最佳的两相复合材料为5%的Ag/g-C3N4。选择溶剂热制备的Cu S与最佳的两相复合材料Ag/g-C3N4复合,通过超声混合和蒸发溶剂的方法成功制备三相复合催化剂Cu S-Ag/g-C3N4,构筑p-n型异质结。通过XRD,SEM,等表征证明了材料的成功制备,Cu S-Ag/g-C3N4在微观结构下仍然保持片层结构,且材料的禁带宽度减小,提高了可见光吸收范围。Cu S-Ag/g-C3N4和g-C3N4相比光催化降解Rh B的效果和速率显著提高,当Cu S含量为10%时,复合催化剂材料的光催化速率是g-C3N4的4.3倍。表明Cu S与Ag/g-C3N4复合后材料的比表面积增加,显著提高了材料对可见光的利用率,扩大了光吸收范围。(2)在210℃的温度下,在不同水热时间下(4 h,8 h,12 h)制备Mo S2晶体,通过超声和溶剂热的方法将Mo S2与5%的Ag/g-C3N4复合,制备三相复合材料Mo S2-Ag/g-C3N4,构筑n-n型异质结。通过多种表征手段分析了不同Mo S2配比的复合材料在微观结构下的片层形貌及元素组成,并通过固体紫外漫反射光谱证明了复合材料理论上对光的吸收利用能力增强。通过光催化降解Rh B实验证明了当Mo S2配比为10%时,复合催化剂材料的光催化性能最优,降解效率为0.02979 min-1,是g-C3N4的3.4倍。材料循环降解Rh B的实验表明了复合催化剂材料具有稳定的光催化能力,4次循环后降解率仍能达到87.2%。通过捕获剂实验证明超氧自由基和空穴是光催化过程中的主要活性物质,并提出了光催化的机理。(3)在不同量PEG-6000分散剂加入的情况下,180℃下水热8 h制备Sn S2晶体,选择分散剂用量为0.3 g时制备的Sn S2参与后续复合材料的制备。通过简单的超声混合和蒸发溶剂的方法制备复合催化剂材料Sn S2-Ag/g-C3N4,构筑n-n型异质结,对不同Sn S2配比的三相复合材料进行表征,证明了Sn S2与Ag/g-C3N4复合后仍为片层结构,在理论上提高了g-C3N4的比表面积和光吸收能力。通过光催化降解Rh B实验证明了Sn S2-Ag/g-C3N4复合催化剂材料对Rh B的降解能力明显优于单相的g-C3N4,并且当Sn S2含量为10%时光催化降解效率最佳,为95.6%,降解效率为0.03092 min-1,约为g-C3N4的3.5倍。通过循环实验证明了复合材料的稳定性。同时,通过改变Rh B的p H环境,证明了复合催化剂材料在酸性条件下催化效果更佳。最后通过捕获剂实验证明光催化过程中起主要作用的活性物质为超氧自由基和空穴,并提出了光催化的机理。
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