gc3n4cds的合成及其可见光催化性能研究【字数：11474】
摘 要用二氰二胺在管式炉(氮气气氛)中采用高温煅烧法制备了类石墨相氮化碳(g-C3N4)，加入CdCl2进行超声搅拌，而后将其与Na2S溶液(蠕动泵)硫化混合得到g-C3N4/CdS，在不同温度下对其进行高温煅烧后用亚甲基蓝进行了可见光降解，用XRD、固体紫外、液体紫外等方法对其光催化性能进行了检测，研究了g-C3N4与CdS的复合材料在可见光下对模拟物亚甲基蓝的降解效果。结果表明，400℃时20%的g-C3N4/CdS展现了优异的催化活性。随着CdS浓度质量比的不断增加，属于g-C3N4和CdS的衍射峰强度逐渐增大，衍射峰型变得愈加明显。然而，随着CdS的加入，没有发现g-C3N4的明显的衍射峰，这可能归因于复合材料中的C3N4含量较少或者g-C3N4结晶度低。随着煅烧温度的不断升高，观察到属于CdS的衍射峰强度逐渐增大，衍射峰型变得愈加明显，符合我们的预期。
目录
1.绪论 1
1.1引言 1
1.2 gC3N4发展史 2
1.3 CdS的结构 3
1.4 gC3N4结构和光催化原理 3
1.5 gC3N4/CdS的光催化原理及影响因素 4
2.实验部分 8
2.1实验思路 8
2.2实验药品试剂和实验器材 8
2.3样品的制备与合成 9
2.3.1高温煅烧法制备gC3N4 9
2.3.2硫化法制备gC3N4/CdS 9
2.4样品表征方法 9
2.5催化性能研究 10
2.5.1.光催化降解亚甲基蓝 10
3.结果与讨论 11
3.1 XRD衍射谱图分析 11
3.1.1温度不变浓度对照 11
3.1.2浓度不变温度对照 14
3.2样品固体紫外可见吸收光谱分析 17
3.3 gC3N4/CdS催化降解MB结果分析 21
3.3.1 400℃煅烧温度下降解效果分析 21
3.3.2 500℃煅烧温度下降解效果分析 23
3.3.3 500℃煅烧温度下降解效果分析 25
小结 28
参考文献 2 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
9
致谢 30
1.绪论
1.1引言
二十一世纪以来，随着人类经济文明的发展，城市工业化发展势头越来越猛，很多不良厂家将大量污水和工业化的污染物随意排放在生活区。这对人类的生活和健康造成了巨大的的危害。探索环境友好和可持续的替代能源是人类面临的一个严峻挑战。应用传统的生物降解和絮凝沉降等污水处理技术很难做到彻底治理污水问题。因此各国政府都在寻求绿色环保无污染、符合可持续发展理念的现代化科学技术以应对日益严重的能源短缺和环境污染。太阳能资源取之不尽、用之不竭且可免费利用等优点是人类实现可持续发展的一大突破口。但是，如何高效转化利用太阳能成为二十一世纪科学家们一大重要研究课题。自从日本藤岛和本田在年报道了半导体电极上的电化学光解反应以来，利用太阳能资源解决环境问题被人们认为是二十一世纪蓝色星球的最后一根救命稻草。之后人们慢慢意识到了半导体光催化的重要性和优越性。因为光催化技术反应条件简单温和、降解有机污染物彻底而且没有二次污染、可利用太阳能直接转换等优点成为了一种理想有效的治理污染物的途径。
半导体光催化是吸收太阳光产生载流子来促进光催化反应，是物质相互作用的方式之一。光催化是有机化学、半导体物理、环境科学等新兴科学等研究领域的交叉研究热点。光催化技术的关键是获得高效的光催化剂。但是经常使用的半导体光催化剂二氧化钛、一氧化锌、二氧化锆等有电子空穴低、催化效率低等不可克服的缺点。
近年来，半导体光催化剂因其对太阳能水裂解的高光催化活性而引起了人们的广泛关注在众多半导体中，石墨碳氮化物（gC3N4）的禁带宽度为Eg=2.7eV，是一种无金属聚合型半导体化合物，由于其无毒性，易得性好，热/化学稳定性高，可见光响应好在光催化领域引起了广泛的关注。目前石墨碳氮化物（gC3N4）有多种应用前景，如H2的生成、二氧化碳的还原和环境修复等，但是，gC3N4在实际应用中的光催化活性受到其固有缺点的严重限制，包括比表面积小等。表面面积大，光致电子霍尔对的重组速度快，光收集不足，质量传递不佳，世界各地的许多研究人员都致力于解决这些问题。有许多有效的方法可以促进gC3N4的光催化制氢活性，如掺杂金属元素、掺杂非金属元素、制造纳米结构、与助催化剂耦合、半导体复合、构建异质结和Zscheme系统、将gC3N4与氧化还原等无金属助催化剂耦合。硫化物由于其制备的材料成本低，且在光催化H2演化过程中具有较高的活性和稳定性，因此受到了广泛关注。可以预见的是，gC3N4光催化技术在未来必将发展成一种成熟的技术,在环境污染治理和洁净能源这一领域大放异彩。
1.2 gC3N4发展史
1834年，Berzelius and Liebig首次合成了C3N4。1922年，富兰克林首次提出了“碳氮”(C3N4)的概念，并指出C3N4可能是氨基甲酸的一系列脱氨产物（如图1.1所示），这一观点得到了进一步的观察[1]。1940年，Redemann and Lucas提出假设富兰克林的C3N4类似于C126H175N175，是分子2,5,8氨基三S三嗪分子的紧密缩合。1989年，加州大学伯克利分校的Amy liu和Marvin l. Cohen在《科学》杂志上发表了一篇题为《预测新的低压缩固体》的论文。他们将晶格模型中的Si原子替换为具有相同主基团的C原子，从而使βSi3N4中的氮化碳（C3N4）开始进入科研学术界的视野。1996年, DavidM。弗吉尼亚理工大学的Teter和Russell j. Hemley在《科学》杂志上发表了一篇关于低碳氮化物压缩的报告。利用第一原理赝势计算，他们推测C3N4有五种结构，即相、相、立方相、准立方相和类石墨相(gC3N4)。
/
图1.1 C3N4的结构组成
1.3 CdS的结构
CdS具有理想的带隙宽度（2.4eV）和氧化还原电位，是一种有吸引力的可见光光催化剂。然而，在强光照和光激发电荷载流子的高复合速率下，光腐蚀严重限制了纳米硫化镉的光催化效率。CdS还可以作为重要的敏化剂，使宽禁带半导体敏化，从而提高光催化剂的光催化活性和稳定性。例如，采用表面功能化方法合成了氧化锌/硫化镉核/壳纳米棒，在模拟太阳辐射下对RhB的降解表现出较高的光催化活性。近年来，材料科学家们成功地制备了光催化活性高、光稳定性好的CdS/gC3N4核壳结构，是一种非常有前途的应用前景。因此，我们希望CdS和gC3N4的结合可以成为提高光生电子温室气体分离效率的理想系统，并可以使吸收到可见光的时间延长，增强了CdS/gC3N4复合材料的光催化活性。在这项工作中，我们通过煅烧硫化路线合成的C3N4/CdS纳米复合材料，显示了可见光和提高了RhB的光降解效率。与纯gC3N4和CdS相比，gC3N4/CdS复合材料由于光诱导电子空穴对的有效分离，表现出更高的光催化活性[2]。
目录
1.绪论 1
1.1引言 1
1.2 gC3N4发展史 2
1.3 CdS的结构 3
1.4 gC3N4结构和光催化原理 3
1.5 gC3N4/CdS的光催化原理及影响因素 4
2.实验部分 8
2.1实验思路 8
2.2实验药品试剂和实验器材 8
2.3样品的制备与合成 9
2.3.1高温煅烧法制备gC3N4 9
2.3.2硫化法制备gC3N4/CdS 9
2.4样品表征方法 9
2.5催化性能研究 10
2.5.1.光催化降解亚甲基蓝 10
3.结果与讨论 11
3.1 XRD衍射谱图分析 11
3.1.1温度不变浓度对照 11
3.1.2浓度不变温度对照 14
3.2样品固体紫外可见吸收光谱分析 17
3.3 gC3N4/CdS催化降解MB结果分析 21
3.3.1 400℃煅烧温度下降解效果分析 21
3.3.2 500℃煅烧温度下降解效果分析 23
3.3.3 500℃煅烧温度下降解效果分析 25
小结 28
参考文献 2 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
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致谢 30
1.绪论
1.1引言
二十一世纪以来，随着人类经济文明的发展，城市工业化发展势头越来越猛，很多不良厂家将大量污水和工业化的污染物随意排放在生活区。这对人类的生活和健康造成了巨大的的危害。探索环境友好和可持续的替代能源是人类面临的一个严峻挑战。应用传统的生物降解和絮凝沉降等污水处理技术很难做到彻底治理污水问题。因此各国政府都在寻求绿色环保无污染、符合可持续发展理念的现代化科学技术以应对日益严重的能源短缺和环境污染。太阳能资源取之不尽、用之不竭且可免费利用等优点是人类实现可持续发展的一大突破口。但是，如何高效转化利用太阳能成为二十一世纪科学家们一大重要研究课题。自从日本藤岛和本田在年报道了半导体电极上的电化学光解反应以来，利用太阳能资源解决环境问题被人们认为是二十一世纪蓝色星球的最后一根救命稻草。之后人们慢慢意识到了半导体光催化的重要性和优越性。因为光催化技术反应条件简单温和、降解有机污染物彻底而且没有二次污染、可利用太阳能直接转换等优点成为了一种理想有效的治理污染物的途径。
半导体光催化是吸收太阳光产生载流子来促进光催化反应，是物质相互作用的方式之一。光催化是有机化学、半导体物理、环境科学等新兴科学等研究领域的交叉研究热点。光催化技术的关键是获得高效的光催化剂。但是经常使用的半导体光催化剂二氧化钛、一氧化锌、二氧化锆等有电子空穴低、催化效率低等不可克服的缺点。
近年来，半导体光催化剂因其对太阳能水裂解的高光催化活性而引起了人们的广泛关注在众多半导体中，石墨碳氮化物（gC3N4）的禁带宽度为Eg=2.7eV，是一种无金属聚合型半导体化合物，由于其无毒性，易得性好，热/化学稳定性高，可见光响应好在光催化领域引起了广泛的关注。目前石墨碳氮化物（gC3N4）有多种应用前景，如H2的生成、二氧化碳的还原和环境修复等，但是，gC3N4在实际应用中的光催化活性受到其固有缺点的严重限制，包括比表面积小等。表面面积大，光致电子霍尔对的重组速度快，光收集不足，质量传递不佳，世界各地的许多研究人员都致力于解决这些问题。有许多有效的方法可以促进gC3N4的光催化制氢活性，如掺杂金属元素、掺杂非金属元素、制造纳米结构、与助催化剂耦合、半导体复合、构建异质结和Zscheme系统、将gC3N4与氧化还原等无金属助催化剂耦合。硫化物由于其制备的材料成本低，且在光催化H2演化过程中具有较高的活性和稳定性，因此受到了广泛关注。可以预见的是，gC3N4光催化技术在未来必将发展成一种成熟的技术,在环境污染治理和洁净能源这一领域大放异彩。
1.2 gC3N4发展史
1834年，Berzelius and Liebig首次合成了C3N4。1922年，富兰克林首次提出了“碳氮”(C3N4)的概念，并指出C3N4可能是氨基甲酸的一系列脱氨产物（如图1.1所示），这一观点得到了进一步的观察[1]。1940年，Redemann and Lucas提出假设富兰克林的C3N4类似于C126H175N175，是分子2,5,8氨基三S三嗪分子的紧密缩合。1989年，加州大学伯克利分校的Amy liu和Marvin l. Cohen在《科学》杂志上发表了一篇题为《预测新的低压缩固体》的论文。他们将晶格模型中的Si原子替换为具有相同主基团的C原子，从而使βSi3N4中的氮化碳（C3N4）开始进入科研学术界的视野。1996年, DavidM。弗吉尼亚理工大学的Teter和Russell j. Hemley在《科学》杂志上发表了一篇关于低碳氮化物压缩的报告。利用第一原理赝势计算，他们推测C3N4有五种结构，即相、相、立方相、准立方相和类石墨相(gC3N4)。
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图1.1 C3N4的结构组成
1.3 CdS的结构
CdS具有理想的带隙宽度（2.4eV）和氧化还原电位，是一种有吸引力的可见光光催化剂。然而，在强光照和光激发电荷载流子的高复合速率下，光腐蚀严重限制了纳米硫化镉的光催化效率。CdS还可以作为重要的敏化剂，使宽禁带半导体敏化，从而提高光催化剂的光催化活性和稳定性。例如，采用表面功能化方法合成了氧化锌/硫化镉核/壳纳米棒，在模拟太阳辐射下对RhB的降解表现出较高的光催化活性。近年来，材料科学家们成功地制备了光催化活性高、光稳定性好的CdS/gC3N4核壳结构，是一种非常有前途的应用前景。因此，我们希望CdS和gC3N4的结合可以成为提高光生电子温室气体分离效率的理想系统，并可以使吸收到可见光的时间延长，增强了CdS/gC3N4复合材料的光催化活性。在这项工作中，我们通过煅烧硫化路线合成的C3N4/CdS纳米复合材料，显示了可见光和提高了RhB的光降解效率。与纯gC3N4和CdS相比，gC3N4/CdS复合材料由于光诱导电子空穴对的有效分离，表现出更高的光催化活性[2]。
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