【摘 要】
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人工光催化技术在生产廉价、清洁的过氧化氢（H2O2）方面有着巨大的潜力。然而目前大多数的光催化剂都需要牺牲剂或贵金属助催化剂的辅助,这对于H2O2的后续纯化以及工业化生产来说都存在着一定的问题,因此高效稳定的光催化剂是值得研究的。半导体氮化碳（C3N4）基纳米材料,作为一种廉价的非金属光催化剂,由于其可调节的带隙、宽光谱响应而引起人们的关注。但是C3N4基光催化剂存在着光吸收能力弱和载流子复合快等
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人工光催化技术在生产廉价、清洁的过氧化氢（H2O2）方面有着巨大的潜力。然而目前大多数的光催化剂都需要牺牲剂或贵金属助催化剂的辅助,这对于H2O2的后续纯化以及工业化生产来说都存在着一定的问题,因此高效稳定的光催化剂是值得研究的。半导体氮化碳（C3N4）基纳米材料,作为一种廉价的非金属光催化剂,由于其可调节的带隙、宽光谱响应而引起人们的关注。但是C3N4基光催化剂存在着光吸收能力弱和载流子复合快等难点,这也是一直以来研究者们需要解决的问题。本论文通过对C3N4材料进行形貌调控、元素掺杂（P,N或S）和有机酸小分子修饰等方式设计并制备了磷掺杂的多孔C3N4（CPN）、氮掺杂的C3N4（N-CN）、硫掺杂的C3N4（S-CN）和对苯二甲酸复合的C3N4（PTA/CN）等光催化材料,并对其进行了一系列结构表征、性能测试和光催化机理探究,具体内容如下所示:（1）C3N4基纳米材料由于其差的光吸收能力和光生载流子易复合等问题限制了其在光催化领域的应用,而非金属元素掺杂C3N4可以有效改善C3N4材料的光催化性能。本文通过煅烧-水热相结合的方式设计并制备了一种磷掺杂的非金属多孔氮化碳（CPN）光催化剂,并且实现了光催化双通道产H2O2。在不添加任何牺牲剂和助催化剂时,CPN催化剂的H2O2产率可高达1968μmol g-1 h-1,这种非金属催化剂生产H2O2的技术在工业生产中更有利于后续的纯化。同时本文还通过一步煅烧法探索了氮元素或硫元素的掺杂对C3N4催化剂的光催化性能的影响,相比于磷元素掺杂的C3N4催化剂,硫或氮元素掺杂的C3N4材料并未表现出优异的光催化活性,其中N3-CN和S3-CN的光催化产氢性能分别为0.123 μmol g-1 h-1和0.139μmol g-1 h-1,因此还可以通过改变掺杂元素的前驱体种类或掺杂比例来进一步优化催化剂的光催化性能。（2）近年来,氮化碳光催化剂被广泛应用于分解水生产H2O2,但也存在载流子复合速度快等问题。有机酸小分子由于其共轭效应可有效促进载流子的迁移速率,是提升C3N4基光催剂性能的有效途径。本文通过简单的一步水热法将有机酸与C3N4通过酰胺键复合,有效地增加了该复合催化剂的化学稳定性。对苯二甲酸改性的C3N4（PTA0.6/CN）催化剂的H2O2生成速率可达833 μmol g-1 h-1,是纯C3N4的13.6倍。此外,还分别对HBC（苯甲酸）、H3BTC（1,3,5-苯三甲酸）、PMA（均苯四甲酸）、OTA（邻苯二甲酸）和MTA（间苯二甲酸）修饰的C3N4的催化性能也进行了探究,实验结果表明对苯二甲酸修饰的C3N4纳米材料的光催化活性最佳,这是因为羧基的含量过多会阻碍有机酸与C3N4的复合,影响其催化性能。值得注意的是,在原位瞬态光电压（in-situ TPV）分析的协助下,可以快速获取催化剂的反应机理、催化动力学和最佳反应条件等重要信息。这些in-situ TPV测试和分析结合热-动力学模型可以快速地直接提取出反应的半反应速率、电子转移数和催化活性,而无需复杂的并行、对比和优化实验。因此本研究为探索催化剂的光电界面、热力学和动力学特性提供了新的研究策略。
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