编号：FTJS107632
篇名： 石墨相氮化碳基复合光催化剂的制备及其在过氧化氢合成中的耦合应用研究
作者： 武浩楠
关键词： 石墨相氮化碳; 光催化; 过氧化氢; 异质结;
机构：扬州大学
摘要： 过氧化氢（H2O2）因其稳定的强氧化特性成为了化学工业中的重要化合物之一。H2O2已在多个领域得到广泛应用。在不同条件下均能保持其显著的氧化能力。作为一种能量密度高的能量载体,H2O2相较于氢气更容易进行储存和运输处理。当前工业生产上主要通过蒽醌法制备H2O2,这一工艺流程涉及多个环节。尽管此方法能够实现高浓度H2O2的生产,但在生产过程中存在严重的可持续性问题。因此,研制一种廉价且高效的H2O2生产方法具有重要意义。光催化制备H2O2技术为解决上述问题提供一种全新思路。光催化剂在应用中面临诸多挑战,其中最为突出的是光生载流子分离效率不足以及表观量子效率低下等问题。这些局限性严重制约了光催化技术的实际应用和推广。因此,开发具有高效载流子分离能力且提升量子效率的新型光催化材料已成为研究重点。 石墨相氮化碳（g-C3N4）凭借适宜的带隙和理想的能带位置（VB=+1.4 e V,CB=-1.3 e V）,展现出优异的可见光吸收能力。这一特性使其能高效驱动多种光催化反应。尽管如此,g-C3N4中光生载流子易于复合且其相对较小的比表面积限制了其光催化应用,因此有必要进行改性以增强光催化性能。因此,本论文研究改性g-C3N4角度出发,通过掺杂,构筑异质结,调控形貌等方法制备一系列g-C3N4基复合光催化剂,并且在不同反应条件下生成一系列高附加值的氧化产物或氧化降解。实验分析表明,相较于纯g-C3N4,复合催化剂材料展现了更加优异的光活化能效。具体研究内容如下: 1.噻吩修饰石墨相氮化碳功能材料光催化过氧化氢合成与耦合苯甲醛氧化研究。 为了提高光催化效率与g-C3N4基材料光催化活性,本章通过热聚合方法合成了噻吩环修饰的g-C3N4光催化剂（T-CN）。实验结果表明,在300 W Xe灯（780≥λ≥400）光照下T-CN材料在反应中展现出优异的光催化活性。H2O2产量可以达到1637μmol/g/h,相较于g-C3N4性能提高4.7倍同时苯甲醛产量达到3176μmol/g/h。这是由于利用噻吩环的电子供体效应,提升了g-C3N4中吡咯N位点的电子浓度,优化了氧还原活性位点并提高了光生载流子的分离效率并应用于苯甲醇体系中苯甲醛与H2O2的合成反应。能高效生成苯甲醛和H2O2。光催化反应机理分析明确了复合材料的带隙结构和电子转移路径,通过猝灭实验和电子顺磁共振分析验证了反应机制。多个循环实验后,材料的光催化性能有所下降,但表现出良好的可重复循环性。T-CN显著提高了H2O2产量同时一举两得的完成苯甲醇到苯甲醛的转化。 2.FeO/CNQDs复合材料光催化过氧化氢制备与耦合丙三醇氧化研究。 为了促进g-C3N4基材料分散性以及光催化活性,本章采用静电自组装方法合成了三氧化二铁（α-Fe2O3）与氮化碳量子点（CNQDs）异质结复合材料（FeO/CNQDs）,并应用于丙三醇体系中二羟基丙酮（DHA）与H2O2的合成反应。实验结果表明,FeO/CNQDs-300材料展现出显著的光催化性能,在300 W Xe灯（780≥λ≥400）光照下其光催化H2O2产量（1437μmol/g/h）相较于g-C3N4提升了7.2倍,其光催化DHA产量达到1567μmol/g/h。这是由于其0D-0D异质结结构,增强了材料的分散性和可见光吸收能力。通过异质接触界面的构筑,广生载流子的分离能力得到显著增强。光催化机理分析明确了复合材料的电子转移路径和方向,通过猝灭实验和电子顺磁共振分析进一步验证了反应机制。此外,实验表明FeO/CNQDs材料具有良好的可循环性。FeO/CNQDs材料显著提高了光催化制备H2O2产量同时一举两得的完成了丙三醇到DHA的转化。 3.K-C3N4/W18O49复合材料光催化过氧化氢制备与罗丹明B的耦合氧化研究。 为了促进g-C3N4基材料用于降解顽固污染物和合成H2O2的光催化活性。本章研究了一种利用有机污染物作为h+的牺牲试剂耦合光催化制备H2O2的光催化体系。这一体系利用三氧化钨(W18O49)与钾掺杂氮化碳（K-C3N4）复合形成S型异质结。在可见光照射下,2 h内,实现了500 ppm的Rh B的完全降解,同时H2O2生成速率达到873.53μmol/g/h,这是单独使用g-C3N4的4.7倍。异质结的构建促进了氧还原反应制备H2O2的反应速率。同时利用h+氧化水生成羟基自由基（·OH）有效降解高浓度Rh B溶液,同时抑制H2O2的h+诱导分解途径,从而在污染物降解和H2O2合成方面实现协同效应。K-C3N4/W18O49提高H2O2性能同时一举两得的完成RhB溶液的降解。