石墨相氮化碳的制备及其光催化性能的研究

学校代码：10255学号：2131347DONGHUAUNIVERSITY硕士学位论文石墨相氮化碳的制备及其光催化性能的研究PreparationandPhotocatalyticPropertiesofGraphitephaseCarbonNitride专业:环境工程作者：史振涛导师：许士洪（副教授）完成日期：2015年5月东华大学硕士学位论文答辩委员会成员名单姓名职称职务工作单位备注黄沈发教授答辩委员会主席上海市环境科学研究院李登新教授答辩委员会委员东华大学王军副教授答辩委员会委员东华大学东华大学学位论文原创性声明本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日东华大学学位论文版权使用授权书学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在年解密后适用本版权书。本学位论文属于不保密□。学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月石墨相氮化碳的制备及其光催化性能的研究I石墨相氮化碳的制备及其光催化性能的研究摘要近年来，半导体光催化技术得到了快速的发展。聚合物半导体石墨相氮化碳（g-C3N4）因其无毒、催化活性高、氧化能力强、且具有优异的化学稳定性和独特的电子能带结构、不含金属组分等优点而得到广泛研究。但是由于聚合物的材料特性，将g-C3N4作为光催化剂还存在如比表面积小、光生电子-空穴复合严重、量子效率低和禁带宽度较大而不能有效利用太阳光等严重制约其在能源、环境光催化领域的大规模推广应用的问题。因此，为了更好的利用太阳光，对g-C3N4进行制备优化及改性以得到较高可见光响应的光催化剂是非常必要的。在本论文中，作者通过2种简单温和的方法制备出了在可见光下有较好光催化活性的石墨相氮化碳（g-C3N4）光催化剂。同时，结合XRD、UV-Vis、SEM、TEM、BET、TGA等实验手段，研究了不同制备条件对g-C3N4光催化剂的结构及催化性能的影响。结果如下：1、以双氰胺为原料，通过改变煅烧时间及煅烧温度制备g-C3N4光催化剂。XRD结果表明在一定温度区间内随着煅烧温度的升高g-C3N4的结晶度先变好后变差。UV-Vis的结果表明制备的g-C3N4光催化剂吸收边在460nm左右。实验还研究了不同煅烧温度、时间对g-C3N4光催化性能的影响，并初步探究了其催化机理。可见光下降解石墨相氮化碳的制备及其光催化性能的研究II甲基橙的结果表明，550℃煅烧240min时，g-C3N4光催化剂具有最佳催化活性。在2.5h内，对甲基橙的降解率可达86.2%。2、以三聚氰氯和三聚氰胺为原料乙腈为溶剂，制备了g-C3N4纳米棒光催化剂。XRD结果表明所制备的光催化剂为石墨相结构且随着温度的升高样品的结晶度先变好后变差。SEM结果表明所制备的纳米棒直径约25nm，长1μm。UV-Vis的结果表明样品的吸收边随着温度、时间的增加而红移。可见光下降解甲基橙的实验结果表明，200℃保温48h时，g-C3N4光催化剂具在2.5h内对甲基橙的降解率可达99.7%。3、以双氰胺代替三聚氰胺，制备了g-C3N4纳米球光催化剂。UV-Vis结果表明制备的光催化剂样品具有优异的可见光活性。SEM和TEM结果表明所制备的光催化剂多数为纳米球且直径约200nm。可见光下降解甲基橙的实验结果表明，200℃保温36h时，g-C3N4光催化剂2.5h内对甲基橙的降解率可达99.8%。关键词：g-C3N4；光催化剂；双氰胺，三聚氰氯，三聚氰胺，可见光石墨相氮化碳的制备及其光催化性能的研究IIIPREPARATIONANDPHOTOCATALYTICPROPERTIESOFGRAPHITEPHASECARBONNITRIDABSTRACTThesemiconductorphotocatalytictechnologyhasbeendevelopedrapidyinrecentyears.Graphitephasecarbonnitride(g-C3N4),ametal-freephotocatalysthasbeendrawnmuchattentionbecauseofitsnon-toxic、highcatalyticactivity、excellentchemicalstability,andtheuniqueadvantagesofelectronicbandstructure.Butduetothematerialpropertiesofthepolymer,theg-C3N4photocatalysthassomeproblems,suchassmallspecificsurfacearea,recombinationofgeneratedelectron-holeserious,lowquantumefficiencyandlargerbandgap,inefficiencyuseofsolaretc,whichrestrictitsapplicationinenergyandenvironmentalphotocatalysis.Therefore,inordertomakeabetteruseofsunlight,preparingg-C3N4optimizedandmodifiedtoobtainahighervisiblelightresponsiveisnecessary.Inthispaper,graphitephasecarbonnitride(g-C3N4)waspreparedbytwokindsofsimplemethods.Meanwhile,XRD、UV-Vis、SEM、TEM、BET、TGAandotherexperimentalmethodswereusedtostudytheeffectsofdifferentpreparationconditionsonthestructureandcatalyticpropertiesofg-C3N4.Someconclusionshavebeenmadeasfollows:(1)Ametal-freephotocatalystg-C3N4withlayerstructurewaspreparedbycalciningdicyandiamide,showinghighvisible-lightphotocatalyticactivityforthedegradationofmethylorangeinwater.X-raydiffractometer(XRD)、scanningelectronmicroscope(SEM)andhighresolutiontransmissionelectronmicroscopy(HRTEM)wereusedtocharacterizethestructureofphotocatalystg-C3N4.Theresultsindicatethatthephotocatalystisgraphite-likecarbonnitrideandthesizeoftheparticlesisabout5-7nm.ThespectrumofUV-visabsorptionindicatesthattheabsorptionedgeoftheg-C3N4was460nm，correspondingtothebandgapenergyof2.7eV.Thedegradationexperimentsofmethylorangeinwatershowthatitsdegradationefficiencycanreach86.2%in2.5h.Thephotocatalyticmechanismexperimentsindicatethath+and•O2-playamajorroleinthedegradationofmethylorangeinwater.(2)Aphotocatalystg-C3N4withnanorodmorphologywaspreparedbyhydrothermalinacetonitrilewithcyanuricchlorideandmelamine.X-raydiffractometer(XRD),scanningelectron石墨相氮化碳的制备及其光催化性能的研究IVmicroscope(SEM)andUV-Visiblediffusereflectancespectroscopy（UV-Vis）wereusedtocharacterizethestructureofphotocatalystg-C3N4.Theresultsindicatethatthewidthandlengthofg-C3N4nanorodareabout25nmand1μm.Absorptionedgeoftheg-C3N4isabout650nm,correspondingtothebandgapenergyof1.91eV.Thedegradationexperimentsofmethylorangeshowthatitsdegradationefficiencycanreach99.7%in2.5h.(3)Dicyandiamidewasusedtoinsteadofmelaminetopreparegraphitephasecarbonnitridenanosphere.Theresultsofanalysisindicatethatthephotocatalystisgraphitephasecarbonnitrideandthesizeofthenanoballisabout200nm.ThespectrumofUV-Visabsorptionindicatesthattheabsorptionedgeoftheg-C3N4is590nm,correspondingtothebandgapenergyof2.1eV.Thedegradationexperimentsofmethylorangeshowthatitsdegradationefficiencycanreach99.8%in2.5h.ShiZhentao（EnvironmentalEngineering）SupervisedbyXuShihongKEYWORDS:g-C3N4;photocatalyst;dicyandiamide;cyanuricchloride;melamine;visiblelight石墨相氮化碳的制备及其光催化性能的研究V目录摘要.................................................................................................................................................IABSTRACT.....................................................................................................................................III第一章绪论............................................................................