离子液体辅助合成氮化碳及其光催化性能的研究
摘 要因为聚合物材料的特性，在把g-C3N4当作光催化剂时还存在很多问题，例如比表面积小、光生电子-空穴复合严重、量子效率低等等。只有解决了这些问题，g-C3N4才能表现出其应有的性质。为了提高g-C3N4的光催化活性，需要对原始g-C3N4进行一些掺杂改性，以达到人们所需要的活性程度。本实验采用离子液体[BMIM]BF4辅助合成氮化碳的方法，能更好地改善其光学性能与结构特征，使其光催化活性提高。将不同量的(0、1、2、3、4、5mL)离子液体与三聚氰胺、三聚氰氯作为原料制备氮化碳，并降解以罗丹明B（RhB）和亚甲基蓝（MB）为主的染料废水，以确定不同的掺杂比例对光催化性能的影响有何不同。结果表明，[BMIM]BF4掺杂量为1mL的CN，光催化性能最好，降解染料废水的程度最佳。实验的最后，还进行了光催化分解水制氢的测试，也很好地表现了少量离子液体的加入可以影响氮化碳的光催化产氢活性。关键词：离子液体；氮化碳；光催化；产氢 目 录
第一章 绪论 1
1.1光催化在环保领域的应用 1
1.2光催化的反应原理和研究进展 1
1.2.1光催化反应原理 2
1.2.2光催化的研究进展 3
1.2.3石墨相氮化碳（gC3N4） 4
1.3石墨相氮化碳的应用 4
1.3.1 gC3N4的光催化 5
1.3.2 gC3N4催化有机反应 5
1.4 gC3N4合成的方法 6
1.4.1 固相反应法 6
1.4.2 电化学沉积法 7
1.4.3 热聚合法 7
1.4.4 溶剂热法 8
1.5选题的目的和意义 10
第二章 实验部分 11
2.1 实验仪器与试剂 11
2.1.1 实验仪器 11
2.1.2 实验试剂 11
2.2 实验步骤 12
2.2.1 光催化剂的制备 12
2.2.2 光催化剂的活性测试 13
2.2.3 罗丹明B（RhB）液及亚甲基蓝（MB）浓度的测定 14
2.2.4 暗反应吸附 16
2.2.5 光
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实验仪器与试剂 11
2.1.1 实验仪器 11
2.1.2 实验试剂 11
2.2 实验步骤 12
2.2.1 光催化剂的制备 12
2.2.2 光催化剂的活性测试 13
2.2.3 罗丹明B（RhB）液及亚甲基蓝（MB）浓度的测定 14
2.2.4 暗反应吸附 16
2.2.5 光反应测试 16
2.2.6 光解水产氢性能测试 16
第三章 结果与讨论 18
3.1 不同条件下催化剂的制备 18
3.2 暗反应中催化剂对染料的吸附性能研究 18
3.2.1 MB暗反应 18
3.2.2 RhB暗反应 20
3.3 催化剂的光催化降解染料废水性能研究 22
3.3.1 光催化活性测试方法 22
3.4 不同[BMIM]BF4加入量制备的催化剂光催化性能影响 22
3.4.1 对RhB的光催化降解性能研究 22
3.4.2 对MB的光催化研究 25
3.5 氮化碳光催化分解水产氢性能研究 27
结论 29
致谢 30
参考文献 31
第一章 绪论
1.1光催化在环保领域的应用
在工业日益发达的今天，环境污染问题愈演愈烈。人类对自然造成了不可磨灭的伤害，其中，以工业污染为最。工业的发展需要大量的能源，现代的工业能源来源仍以化石资源为主。化石能源的燃烧，释放出大量的NOx、SO2、CO2等，对环境造成的巨大的伤害，能源的短缺、环境的污染，给人类带来了严酷的生存压力与挑战[1]。因此,解决当前严重的能源短缺和环境污染问题已迫在眉睫。而其中以印染废水为代表的污染物因其成分复杂、色度高、浓度高、难降解物质多，并含有许多“三致”性能或生物毒性的有机物，即使浓度很低，排入外界导致水体透光率降低，最终造成水体生态系统破坏的恶果[2]。因此需要研究新兴技术以应对越发复杂化的环境污染问题。光催化技术，作为一种新型的绿色技术，因其能够氧化降解有机物，备受科学家的青睐，也展现了光催化在环境污染等方面的潜力。截止目前, 科研工作者们认真仔细研究过的各式各类污染物已达到100余种之多[3], 其中绝大部分的有机污染物都是臭名昭著，被人们深恶痛绝的物质。科学家们认为,光催化技术将在21世纪初获得飞速发展,因为光催化剂具有良好的环境净化作用,并且在防污、脱臭、抗菌和水处理等诸多领域已经进入商品化阶段,所以光催化剂将成为未来最有希望的新型材料,光催化技术有极大可能发展成至关重要的新兴产业。
1.2光催化的反应原理和研究进展
光催化反应和光催化剂无论是作为研究对象还是其应用范围都已经获得明显拓展。研究结果称，吸收光能（hv）大于或等于其带隙能（B.G.）的半导体才能作为光催化剂使用，且光能要达到足以激发产生电子和空穴的程度。而实际上，从材料成本、化学稳定性等种种因素来考虑催化材料的实用性的话，再进行一系列严谨认真的优化研究后，其真正的实用性还有很大的提升空间。现在经常能见到的只有一种化合物的光催化剂, 比如二氧化钛、氧化锌、硫化铅、硫化铬及硫化锌等，这些催化剂各自都有各自突出的优点，但也有限制，每种都只可以进行固定的反应，单一种类应用范围较小，但在具体研究中可根据不同的需求来选用。于是更多的人开始研究应用范围很广，材料又简单的半导体光催化材料。
1.2.1光催化反应原理
半导体光催化剂从整体来说因为大多数是n型化合物半导体，故这些催化剂都具有特殊的能带结构，即存在一个禁带。因为半导体对光的吸收存在的最大值和带隙之间成反比例关系，所以宽带隙半导体的吸收波长范围基本上处于紫外部分，这样一来，若需要利用太阳光进行光催化，就需要改变其性质。当一束光子能量很高的光照射此种光催化剂时，价带电子就会因吸收能量而跃迁到导带，于是为了电荷平衡就会产生空穴（h+）和光生电子（e）。在这个时候颗粒表面的氢氧根离子（或水）与空穴结合生成氢氧自由基。因其具有的氧化能力非常强，可以将绝大多数的有机物彻底地氧化分解成最终产物CO2和H2O。半导体光催化作用机理反应如下[4]:
半导体光催化剂+hv→h++e~
h+ +OHˉ→?OH
h++H2O→?OH+H+
e~+O2→O2~
O2~ +H+→HO2?
2HO2?→O2+H2O2
H2O2+O2~ →?OH+OHˉ+O2.
见图11，
图11 光催化原理
Fig. 11 Photocatalytic principle
1.2.2光催化的研究进展
1972年FuJis，HonDa等[5]在Nature杂志上发表的关于在TiO2电极上光分解水的论文,拉开了多相光催化新时代开启的序幕。由此引发了学术上的热潮,来自化学,材料等多个领域的学者围绕着光催化合成，太阳能能量的转储和不同相的光催化过程的原理展开了深入而广泛的研究。目前,随着环境的恶化，光催化降解污染物成为其中一个最热门的研究内容[6]。在过去十几年中,涉及到废气和废水的光催化处理方式的文献平均每年超过200篇。Asahi等[7]在Science上首次提出一个史无前例的建议，那就是利用氮掺杂代替晶格氧，使TiO2在不降低紫外光下活性的前提下带隙变窄，同时使其具有应有的可见光光催化活性，由此掀起了利用非金属元素掺杂改性TiO2的研究高潮；由Asme等组织的国际太阳能协会每年都会发表与光催化有关研究报告,而且光催化的著作和综述文章数量越来越多。光催化是一种普遍存在的自然现象,
第一章 绪论 1
1.1光催化在环保领域的应用 1
1.2光催化的反应原理和研究进展 1
1.2.1光催化反应原理 2
1.2.2光催化的研究进展 3
1.2.3石墨相氮化碳（gC3N4） 4
1.3石墨相氮化碳的应用 4
1.3.1 gC3N4的光催化 5
1.3.2 gC3N4催化有机反应 5
1.4 gC3N4合成的方法 6
1.4.1 固相反应法 6
1.4.2 电化学沉积法 7
1.4.3 热聚合法 7
1.4.4 溶剂热法 8
1.5选题的目的和意义 10
第二章 实验部分 11
2.1 实验仪器与试剂 11
2.1.1 实验仪器 11
2.1.2 实验试剂 11
2.2 实验步骤 12
2.2.1 光催化剂的制备 12
2.2.2 光催化剂的活性测试 13
2.2.3 罗丹明B（RhB）液及亚甲基蓝（MB）浓度的测定 14
2.2.4 暗反应吸附 16
2.2.5 光
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
实验仪器与试剂 11
2.1.1 实验仪器 11
2.1.2 实验试剂 11
2.2 实验步骤 12
2.2.1 光催化剂的制备 12
2.2.2 光催化剂的活性测试 13
2.2.3 罗丹明B（RhB）液及亚甲基蓝（MB）浓度的测定 14
2.2.4 暗反应吸附 16
2.2.5 光反应测试 16
2.2.6 光解水产氢性能测试 16
第三章 结果与讨论 18
3.1 不同条件下催化剂的制备 18
3.2 暗反应中催化剂对染料的吸附性能研究 18
3.2.1 MB暗反应 18
3.2.2 RhB暗反应 20
3.3 催化剂的光催化降解染料废水性能研究 22
3.3.1 光催化活性测试方法 22
3.4 不同[BMIM]BF4加入量制备的催化剂光催化性能影响 22
3.4.1 对RhB的光催化降解性能研究 22
3.4.2 对MB的光催化研究 25
3.5 氮化碳光催化分解水产氢性能研究 27
结论 29
致谢 30
参考文献 31
第一章 绪论
1.1光催化在环保领域的应用
在工业日益发达的今天，环境污染问题愈演愈烈。人类对自然造成了不可磨灭的伤害，其中，以工业污染为最。工业的发展需要大量的能源，现代的工业能源来源仍以化石资源为主。化石能源的燃烧，释放出大量的NOx、SO2、CO2等，对环境造成的巨大的伤害，能源的短缺、环境的污染，给人类带来了严酷的生存压力与挑战[1]。因此,解决当前严重的能源短缺和环境污染问题已迫在眉睫。而其中以印染废水为代表的污染物因其成分复杂、色度高、浓度高、难降解物质多，并含有许多“三致”性能或生物毒性的有机物，即使浓度很低，排入外界导致水体透光率降低，最终造成水体生态系统破坏的恶果[2]。因此需要研究新兴技术以应对越发复杂化的环境污染问题。光催化技术，作为一种新型的绿色技术，因其能够氧化降解有机物，备受科学家的青睐，也展现了光催化在环境污染等方面的潜力。截止目前, 科研工作者们认真仔细研究过的各式各类污染物已达到100余种之多[3], 其中绝大部分的有机污染物都是臭名昭著，被人们深恶痛绝的物质。科学家们认为,光催化技术将在21世纪初获得飞速发展,因为光催化剂具有良好的环境净化作用,并且在防污、脱臭、抗菌和水处理等诸多领域已经进入商品化阶段,所以光催化剂将成为未来最有希望的新型材料,光催化技术有极大可能发展成至关重要的新兴产业。
1.2光催化的反应原理和研究进展
光催化反应和光催化剂无论是作为研究对象还是其应用范围都已经获得明显拓展。研究结果称，吸收光能（hv）大于或等于其带隙能（B.G.）的半导体才能作为光催化剂使用，且光能要达到足以激发产生电子和空穴的程度。而实际上，从材料成本、化学稳定性等种种因素来考虑催化材料的实用性的话，再进行一系列严谨认真的优化研究后，其真正的实用性还有很大的提升空间。现在经常能见到的只有一种化合物的光催化剂, 比如二氧化钛、氧化锌、硫化铅、硫化铬及硫化锌等，这些催化剂各自都有各自突出的优点，但也有限制，每种都只可以进行固定的反应，单一种类应用范围较小，但在具体研究中可根据不同的需求来选用。于是更多的人开始研究应用范围很广，材料又简单的半导体光催化材料。
1.2.1光催化反应原理
半导体光催化剂从整体来说因为大多数是n型化合物半导体，故这些催化剂都具有特殊的能带结构，即存在一个禁带。因为半导体对光的吸收存在的最大值和带隙之间成反比例关系，所以宽带隙半导体的吸收波长范围基本上处于紫外部分，这样一来，若需要利用太阳光进行光催化，就需要改变其性质。当一束光子能量很高的光照射此种光催化剂时，价带电子就会因吸收能量而跃迁到导带，于是为了电荷平衡就会产生空穴（h+）和光生电子（e）。在这个时候颗粒表面的氢氧根离子（或水）与空穴结合生成氢氧自由基。因其具有的氧化能力非常强，可以将绝大多数的有机物彻底地氧化分解成最终产物CO2和H2O。半导体光催化作用机理反应如下[4]:
半导体光催化剂+hv→h++e~
h+ +OHˉ→?OH
h++H2O→?OH+H+
e~+O2→O2~
O2~ +H+→HO2?
2HO2?→O2+H2O2
H2O2+O2~ →?OH+OHˉ+O2.
见图11，
图11 光催化原理
Fig. 11 Photocatalytic principle
1.2.2光催化的研究进展
1972年FuJis，HonDa等[5]在Nature杂志上发表的关于在TiO2电极上光分解水的论文,拉开了多相光催化新时代开启的序幕。由此引发了学术上的热潮,来自化学,材料等多个领域的学者围绕着光催化合成，太阳能能量的转储和不同相的光催化过程的原理展开了深入而广泛的研究。目前,随着环境的恶化，光催化降解污染物成为其中一个最热门的研究内容[6]。在过去十几年中,涉及到废气和废水的光催化处理方式的文献平均每年超过200篇。Asahi等[7]在Science上首次提出一个史无前例的建议，那就是利用氮掺杂代替晶格氧，使TiO2在不降低紫外光下活性的前提下带隙变窄，同时使其具有应有的可见光光催化活性，由此掀起了利用非金属元素掺杂改性TiO2的研究高潮；由Asme等组织的国际太阳能协会每年都会发表与光催化有关研究报告,而且光催化的著作和综述文章数量越来越多。光催化是一种普遍存在的自然现象,
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