溶剂热合成氮化碳及其光催化处理染料废水研究
染料废水是工业上较难处理的一种废水，然而光催化技术却能较容易地利用其自身的特性降解废水中的各种有害物质。因此，光催化技术成为人们的研究热点。本实验以三聚氰胺、三聚氰氯作为原料，乙腈作为溶剂，在不同温度、不同时间下，用溶剂热法来制备光催化剂材料氮化碳。以亚甲基蓝（MB) 溶液和玫瑰红B (RhB) 作为反应底物进行光催化实验，来探究温度和时间对光催化剂的结构和性质的影响。实验结果表明，随着温度的提高和时间的延长，产物的结构越来越清晰完整，呈类似于石墨的层状结构，同时，催化剂的结构越完整，其光催化降解的效率越高。除此之外，本实验还用异丙醇(IPA)、对苯醌(BQ)和碘化钾(KI)这三种溶液来研究光催化的反应机理，实验表明是超氧自由基(O2-?）是反应体系起主要作用的活性物种。关键字：光催化; 氮化碳; 层状结构; 超氧自由基;目录
第一章 绪论 1
1.1 光催化原理 1
1.2半导体光催化的优点 1
1.3光催化技术的研究与发展 2
1.4石墨氮化碳 3
1.4.1石墨氮化碳的结构 3
1.4.2石墨氮化碳的性质和应用 4
1.4.3 石墨氮化碳的制备 7
1.5选题的目的和意义 9
第二章 实验部分 11
2.1 实验仪器与药品 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光催化剂的表征 12
2.2.3 光催化剂的活性测试 13
第三章 结果与讨论 17
3.1 不同条件下催化剂的制备 17
3.1.1 制备条件的选择 17
3.1.2 对催化剂进行结构表征 17
3.2 暗反应中催化剂的性能研究 21
3.2.1 MB暗反应 21
3.2.2 RhB暗反应 24
3.3 催化剂的光催化性能研究 26
3.3.1 光催化活性测试方
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
17
3.1 不同条件下催化剂的制备 17
3.1.1 制备条件的选择 17
3.1.2 对催化剂进行结构表征 17
3.2 暗反应中催化剂的性能研究 21
3.2.1 MB暗反应 21
3.2.2 RhB暗反应 24
3.3 催化剂的光催化性能研究 26
3.3.1 光催化活性测试方法 27
3.3.2不同温度制备的催化剂光催化性能影响 27
3.3.3 不同时间下制备的催化剂光催化性能影响 29
3.4 光照下光催化剂对RhB的降解机理分析 31
3.4.1 光催化机理分析 31
3.4.2氮化碳的光催化反应机理 32
结 论 34
致谢 35
参考文献 36
第一章 绪论
众所周知，染料废水因其成分比较复杂,色度和 CODCr较高,成为较难处理的工业废水之一。在一些地区,存在不少小型染料生产企业,由于生产工艺落后,缺少污水的后续处理，使得废水未经有效处理便直接排放到自然水体中,使得自然水体不在清澈透明，同时COD让水中溶解氧缺乏,对水中生物、微生物造成极大的影响，不少水体中出现大量鱼类死亡的现象，废水还造成水体的自净能力的降低,严重影响破坏水体、土壤及生态环境,危害人类的身体健康。在水资源日益缺乏的今天，人们急需找到一种技术方法来有效的处理染料废水，提高水资源的利用率。光催化氧化技术以其较少的能源消耗、简单易操作的设备、容易控制的反应条件、快速氧化处理有机染料污染物等优点，得到越来越多学者的关注，成为人们研究的热门领域。
1.1 光催化原理
大多数半导体光催化剂都是是n型半导体材料，这些材料的能带结构都不同于金属或绝缘物质,即存在于价带和导带之间的禁带。由于半导体的光吸收阈值大都在紫外区域，因此当有光子能量高于半导体吸收阈值的光照射半导体时,半导体的价带电子将会从价带跃迁到导带,从而产生光生电子(e)和光生空穴(h+)。吸附在纳米颗粒表面的溶解氧将会俘获电子形成超氧负离子,而空穴也会与吸附在催化剂表面的氢氧根离子和水发生氧化反应，生成氢氧自由基。超氧负离子和氢氧自由基均具有极其强大的氧化性,能氧化绝大多数的有机物，使其分解成为CO2和H2O，其超强的氧化性甚至能彻底分解一些无机物。
1.2半导体光催化的优点
由光催化的原理可知，当光的光子能量高于半导体吸收阈值时，光催化剂表面会在溶液中生成具有超强氧化性超氧负离子和氢氧自由基。因此，它能够直接利用太阳光作为动力，来进行一系列重要的化学光反应。所以，我们就可以利用太阳能和光催化剂来直接降解和矿化有机污染物，且不需要额外的能源，处理方式简单直接，该技术不仅解决能源短缺，而且还能治理环境污染问题，正是因为这些优点，半导体光催化受到世界各国科研人士的高度重视[1]。到目前为止, 科研工作者们已经深入研究过多达 100 余种[2]的各类污染物, 其中大部分的有机污染物是环保领域非常关注的物质。危害人类身心健康的有毒有害气体及污废水中的染料、表面活性剂、农药、臭味物质等,都可通过半导体光催化技术对其进行有效的消毒、脱色、除臭等处理，从而达到规定的排放标准。因此，推动并发展光催化技术，开发高效环保的光催化材料是当前乃至未来一段时间内科研工作者们研究的重要方向。
1.3光催化技术的研究与发展
TiO2可以把有机高分子材料光致分解，钛白粉可以令某些有机染料褪色人们在二十世纪二十年代末就发现了这些现象，但这些并没有引起人们足够的重视。真正意义上的半导体光催化技术研究发生在七十年代。当时，日本科学家 Fujishima和Honda[3]用TiO2单晶电极作为催化剂，发现当有紫外光辐照时，常温常压的条件下水就能分解成H2和O2，这一重大发现使得全世界学者的目光都聚焦到了光催化技术研究领域。近几十年来，该领域不断地发展壮大，取得丰硕的成果。Honda和Fujishima 公布光解水产氢的研究后不久,加拿大科学家Carey[4]等于1976年将半导体材料用来研究光催化降解污染物,人们才开始意识到半导体光催化可以应用于保护环境和治理的领域，半导体光催化在有机和无机污染物的处理方面表现出来的极大潜力，使其受到了人们的广泛关注。半导体光催化过程中产生的空穴具有很强的氧化性,可以氧化分解绝大部分有机物；同时，产生的具有较强的还原能力的电子,可以将众多高价态高毒性的重金属离子还原成为低价态低毒性离子。例如 Ollis等[5]对氯仿和滴滴涕的研究、Peill 等[6]对 4氯酚的研究、Chen 等[7]对敌敌畏的研究、Gralzel 等[8]对马拉硫磷、Vinodgopal等[9]对偶氮染料酸性橙7的研究和Li等[10]对苯酚的研究这些研究充分证明半导体光催化可以很好的降解有机物。除了降解有机污染物物，光催化在解决无机物染污方面也有较大的研究价值，例如解决汞、铬、铅等无机重金属离子引起的污染问题。在柠檬酸根离子的存在下,半导体光催化可以使Hg2+从含氧溶液中被具有超强还原性的光生电子还原成 Hg单质，使其在光催化剂二氧化钛的表面沉积[11]，从而达到去除重金属离子的目的。半导体光催化在降解污染物方面的独特优势也将使光催化技术应用于净化月球基地生活用水领域[12]。 随着人们研究的不断深入，人们发现光催化技术存在着明显的弊端，那就是太阳能不能被充分地利用。经过研究，人们发现这主要由两个原因造成：一是用于光催化的半导体材料的光吸收波长范围较窄，主要在紫外区，而紫外光只占太阳光的5%，可见光却占了太阳光的 47%以上；
第一章 绪论 1
1.1 光催化原理 1
1.2半导体光催化的优点 1
1.3光催化技术的研究与发展 2
1.4石墨氮化碳 3
1.4.1石墨氮化碳的结构 3
1.4.2石墨氮化碳的性质和应用 4
1.4.3 石墨氮化碳的制备 7
1.5选题的目的和意义 9
第二章 实验部分 11
2.1 实验仪器与药品 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光催化剂的表征 12
2.2.3 光催化剂的活性测试 13
第三章 结果与讨论 17
3.1 不同条件下催化剂的制备 17
3.1.1 制备条件的选择 17
3.1.2 对催化剂进行结构表征 17
3.2 暗反应中催化剂的性能研究 21
3.2.1 MB暗反应 21
3.2.2 RhB暗反应 24
3.3 催化剂的光催化性能研究 26
3.3.1 光催化活性测试方
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17
3.1 不同条件下催化剂的制备 17
3.1.1 制备条件的选择 17
3.1.2 对催化剂进行结构表征 17
3.2 暗反应中催化剂的性能研究 21
3.2.1 MB暗反应 21
3.2.2 RhB暗反应 24
3.3 催化剂的光催化性能研究 26
3.3.1 光催化活性测试方法 27
3.3.2不同温度制备的催化剂光催化性能影响 27
3.3.3 不同时间下制备的催化剂光催化性能影响 29
3.4 光照下光催化剂对RhB的降解机理分析 31
3.4.1 光催化机理分析 31
3.4.2氮化碳的光催化反应机理 32
结 论 34
致谢 35
参考文献 36
第一章 绪论
众所周知，染料废水因其成分比较复杂,色度和 CODCr较高,成为较难处理的工业废水之一。在一些地区,存在不少小型染料生产企业,由于生产工艺落后,缺少污水的后续处理，使得废水未经有效处理便直接排放到自然水体中,使得自然水体不在清澈透明，同时COD让水中溶解氧缺乏,对水中生物、微生物造成极大的影响，不少水体中出现大量鱼类死亡的现象，废水还造成水体的自净能力的降低,严重影响破坏水体、土壤及生态环境,危害人类的身体健康。在水资源日益缺乏的今天，人们急需找到一种技术方法来有效的处理染料废水，提高水资源的利用率。光催化氧化技术以其较少的能源消耗、简单易操作的设备、容易控制的反应条件、快速氧化处理有机染料污染物等优点，得到越来越多学者的关注，成为人们研究的热门领域。
1.1 光催化原理
大多数半导体光催化剂都是是n型半导体材料，这些材料的能带结构都不同于金属或绝缘物质,即存在于价带和导带之间的禁带。由于半导体的光吸收阈值大都在紫外区域，因此当有光子能量高于半导体吸收阈值的光照射半导体时,半导体的价带电子将会从价带跃迁到导带,从而产生光生电子(e)和光生空穴(h+)。吸附在纳米颗粒表面的溶解氧将会俘获电子形成超氧负离子,而空穴也会与吸附在催化剂表面的氢氧根离子和水发生氧化反应，生成氢氧自由基。超氧负离子和氢氧自由基均具有极其强大的氧化性,能氧化绝大多数的有机物，使其分解成为CO2和H2O，其超强的氧化性甚至能彻底分解一些无机物。
1.2半导体光催化的优点
由光催化的原理可知，当光的光子能量高于半导体吸收阈值时，光催化剂表面会在溶液中生成具有超强氧化性超氧负离子和氢氧自由基。因此，它能够直接利用太阳光作为动力，来进行一系列重要的化学光反应。所以，我们就可以利用太阳能和光催化剂来直接降解和矿化有机污染物，且不需要额外的能源，处理方式简单直接，该技术不仅解决能源短缺，而且还能治理环境污染问题，正是因为这些优点，半导体光催化受到世界各国科研人士的高度重视[1]。到目前为止, 科研工作者们已经深入研究过多达 100 余种[2]的各类污染物, 其中大部分的有机污染物是环保领域非常关注的物质。危害人类身心健康的有毒有害气体及污废水中的染料、表面活性剂、农药、臭味物质等,都可通过半导体光催化技术对其进行有效的消毒、脱色、除臭等处理，从而达到规定的排放标准。因此，推动并发展光催化技术，开发高效环保的光催化材料是当前乃至未来一段时间内科研工作者们研究的重要方向。
1.3光催化技术的研究与发展
TiO2可以把有机高分子材料光致分解，钛白粉可以令某些有机染料褪色人们在二十世纪二十年代末就发现了这些现象，但这些并没有引起人们足够的重视。真正意义上的半导体光催化技术研究发生在七十年代。当时，日本科学家 Fujishima和Honda[3]用TiO2单晶电极作为催化剂，发现当有紫外光辐照时，常温常压的条件下水就能分解成H2和O2，这一重大发现使得全世界学者的目光都聚焦到了光催化技术研究领域。近几十年来，该领域不断地发展壮大，取得丰硕的成果。Honda和Fujishima 公布光解水产氢的研究后不久,加拿大科学家Carey[4]等于1976年将半导体材料用来研究光催化降解污染物,人们才开始意识到半导体光催化可以应用于保护环境和治理的领域，半导体光催化在有机和无机污染物的处理方面表现出来的极大潜力，使其受到了人们的广泛关注。半导体光催化过程中产生的空穴具有很强的氧化性,可以氧化分解绝大部分有机物；同时，产生的具有较强的还原能力的电子,可以将众多高价态高毒性的重金属离子还原成为低价态低毒性离子。例如 Ollis等[5]对氯仿和滴滴涕的研究、Peill 等[6]对 4氯酚的研究、Chen 等[7]对敌敌畏的研究、Gralzel 等[8]对马拉硫磷、Vinodgopal等[9]对偶氮染料酸性橙7的研究和Li等[10]对苯酚的研究这些研究充分证明半导体光催化可以很好的降解有机物。除了降解有机污染物物，光催化在解决无机物染污方面也有较大的研究价值，例如解决汞、铬、铅等无机重金属离子引起的污染问题。在柠檬酸根离子的存在下,半导体光催化可以使Hg2+从含氧溶液中被具有超强还原性的光生电子还原成 Hg单质，使其在光催化剂二氧化钛的表面沉积[11]，从而达到去除重金属离子的目的。半导体光催化在降解污染物方面的独特优势也将使光催化技术应用于净化月球基地生活用水领域[12]。 随着人们研究的不断深入，人们发现光催化技术存在着明显的弊端，那就是太阳能不能被充分地利用。经过研究，人们发现这主要由两个原因造成：一是用于光催化的半导体材料的光吸收波长范围较窄，主要在紫外区，而紫外光只占太阳光的5%，可见光却占了太阳光的 47%以上；
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