基于硫掺杂氮化碳复合材料的优化制备及性能研究

当今社会,环境污染和能源短缺问题日益严重,光催化技术作为新兴的高级氧化技术,由于直接利用太阳光、对污染物去除效率高等优点,被广泛应用于制氢和污染物去除领域。作为非金属光催化剂,氮化碳(g-C3N4)具有良好的可见光响应能力、高稳定性及制备方法简单等优点,得到了研究者的普遍关注和青睐。

但是由于其比表面积较小,光吸收性能较差、光生电子空穴复合率较高等缺点限制了其实际应用。g-C3N4常见的改性方法有形貌结构调控、元素掺杂及构建复合结构等。

本研究使用非金属元素硫(S)对g-C3N4进行改性得到硫掺杂的

g-C3N4(S-C3N4),使得g-C3N4的光催化性能得到了较大的提升。为了进一步提高S-C3N4性能,将其与TiO2和碳点材料结合,形成复合光催化剂。

通过微观表征对一元、二元材料的形貌结构、光电性能以及光生电子-空穴分离效果进行了研究,通过甲基橙及抗生素降解实验对光催化剂的催化性能进行了评估,并且利用捕获实验、降解路径分析等结果探究了其光催化降解污染物机理。本文的主要研究内容和成果如下:(1)通过筛选硫前体与优化制备条件,成功合成了硫掺杂的g-C3N4。

通过微观表征发现S-C3N4具有以下优势:独特薄片层的棒状结构使得反应过程中光生电子的传递路径缩短,进而有效地抑制了光生电子空穴对的复合率;增大的比表面积促进了 S-C3N4对污染物的吸附;另外,增强的光吸收能力使其对可见光的利用率进一步提升。将改性后的样品用于甲基橙的可见光降解中发现,S-C3N4的光催化性能比纯g-C3N4的性能提高了近两倍,因此说明硫元素掺杂是一种较为有效的改性方法。

(2)通过碱辅助超声法将葡萄糖碳化得到碳点(C-dot)纳米材料,将S-C3N4前体与已制备的C-dot混合后一步煅烧,在不采用任何其他模板剂的前提下,成功合成了具有均匀多孔结构的S-C3N4/C-dot复合材料。实验发现,碳点通过自身氧化成气态产物作为成孔剂,促进了多孔结构的形成。

同时原料中碳点的含量对控制最终产物的晶体结构、形貌和光催化性能起着关键作用。与纯S-C3N4相比,碳含量为5%的S-C3N4/C-dot复合物表现出优异的污染物降解性能,是纯S-C3N4的 3.2 倍。

(3)采用溶剂热法制得Ti02纳米材料,然后通过浸渍法成功地制备了S-C3N4/TiO2纳米复合材料。与纯TiO2和g-C3N4/TiO2相比,纳米复合材料在甲基橙与抗生素的去除方面表现出优异的光催化活性,其速率常数分别为单独TiO2和g-C3N4/TiO2的8.6倍和2.6倍。

增强的光催化活性是由于S-C3N4与TiO2之间匹配的能带位置和紧密的界面接触,使得其间形成了独特异质结,这有效地抑制了光生电子-空穴对的复合。此外,通过捕获实验,确定了 S-C3N4/TiO光催化剂在光催化反应中的主要活性物种,并提出了该复合物降解污染物的作用机理。

(4)通过材料对抗生素的降解,利用HPLC-MS和TOC分析研究了抗生素的降解路径与矿化程度,同时进一步考虑了水质因素如无机离子、腐殖质和pH等对与降解过程的影响,以拓宽材料在实际中的应用。