Fe掺杂g-C3N4的制备及其可见光催化性能标书

Fe掺杂g-C3N4的制备及其可见光催化性能一、项目简介本项目致力于开发一种高效的新型的针对有机染料降解的氮化碳光催化剂体系，同时根据不同需要将其他材料掺杂到g-C3N4中，以改变g-C3N4的能带结构，产生更多的光电子，以提高催化剂对染料和光的吸收率，改善催化剂的光催化降解性能。同时，用透射电子显微镜(TEM)，扫描电子显微镜(SEM)，X射线衍射(XRD)，傅里叶红外光谱(FTIR)，紫外可见漫反射光谱(UV-Vis)对材料进行表征，对其催化性能与结构及光学特性之间的关系进行研究。二、立项依据（研究意义、国内外研究现状及发展动态分析等）近年来，环境污染变得越加严重，尤其是河道等水类污染引起人们的极度重视。随着现代化工业进程的快速发展，工厂污水，生活废水，农业废水等等的废水排放量亦快速增长，造成了严重的水体污染，已经严重危及了人类的生存和发展。如何降解水中的污染物，是一个亟需解决的问题。传统的处理环境污染物的方法常有化学法，物理法和生物降解法，而光催化降解作为一种新型的方法，比起前面所提及的三种方法具有更明显的优点，所采用的太阳能为可再生能源，反应条件温和，操作简单，降解速率快、效率高，是一种无污染可持续的技术，有广阔的应用前景。到目前为止，各种氧化物、硫化物和氮化物半导体光催化剂，都已开发用于驱动光催化反应。早在1924年Baur和Perret发现了ZnO在光的照射下能够催化还原银盐得到金属银，提出了该反应中存在氧化和还原反应的观点，并推测了其光催化机理。随后，Goodeve等人研究了TiO2粉末光催化分解染料，认为TiO2粉末能加速光化学氧化作用。直到1972年，日本的Fujishima和Honda在《Nature》上报道了单晶TiO2电极在紫外光的激发下能够分解水产氢气和氧气，开创了光催化技术将太阳能转化为清洁的氢气新能源应用研究的先河，光催化技术的研究开始受到广泛的关注。1976年Carey等人发现TiO2在紫外光的照射下能够分解水中的有机污染物（多氯联苯，PCB）；随后在1977年Bard等人也报道了TiO2在紫外光的激发下能够降解水中的氰化物和亚硫酸盐，从而开创了光催化技术在环境污染治理领域的应用研究。1989年，Liu和Cohen在理论上提出β-C3N4共晶体之后，碳氮化合物在高硬度、高耐磨等方面的优良特性，得到了各国科学家的关注。类石墨结构氮化碳(g-C3N4)作为室温下最稳定的相，具有半导体构带隙(带隙值为2.7eV)，对可见光响应，水稳定性，无毒和有较高的光催化性能等等性质，越来越受到人们的关注。g-C3N4（类石墨氮化碳）具有类似于石墨的层状结构，但其层间距约为0.326nm略小于石墨的层间距，层间含有C3N3环或C6N7环，环之间通过末端的N原子相连而形成一层无限扩展的平面，如图1所示。其层与层之间是通过范德华力相互作用堆叠在一起，因此其不溶于水。用于获得g-C3N4的几种前体常有单氰胺、双氰胺、三聚氰胺，通过自身缩聚，形成一种具有层状结构的中间体蜜勒胺(2，5，8－三氨基－3－三嗪)，对其进一步缩聚可得g－C3N4材料。而g－C3N4有一个明显的缺点,那就是光生载流子寿命短,易复合,导致量子效率较低。针对这一缺点,我们用掺杂法来改善半导体材料电子结构和表面性质。掺杂后电子结构相应的也发生了改变,即具有空隙的层状结构有利于掺杂剂均匀掺杂,掺杂剂与g-C3N4原有分子轨道发生轨道杂化,从而改变g-C3N4的能带结构,电子结构和光学性质。以三聚氰胺和硝酸铁为原料制备Fe掺杂g-C3N4,以罗丹明B（RhB）为目标降解物，同时，用透射电子显微镜(TEM)，扫描电子显微镜(SEM)，X射线衍射(XRD)，傅里叶红外光谱(FTIR)，紫外可见漫反射光谱(UV-Vis)对材料进行表征，对其催化性能与结构及光学特性之间的关系进行研究。采用紫外可见吸收光谱法，测定了光催化反应中掺杂铁含量的催化剂催化后污染物溶液的浓度，以此评价催化剂的催化性能。在稀溶液和单色光的条件下，不同浓度的稀溶液对单色光的吸收遵循朗伯比尔定律：A=lg(1/T)=Kbc（1），A为溶液的吸光度，T为透过率，K为常数，c为稀溶液的浓度，b为吸收层厚度。我们所选用的有机污染物的浓度一般是ppm级别的稀溶液，其符合朗伯比尔定律，因此我们可以通过测量不同的掺杂铁含量的催化剂催化污染物的吸光度，来间接计算掺杂铁含量的催化剂催化下污染物的浓度。因此可以按照公式2来模拟污染物的表观降解率。降解率%=(A0-At)/A0×100%=(C0-Ct)/C0×100%（2）。在（2）式中A0、C0和At、Ct分别为光催化反应前污染物的吸光度、浓度和在不同时间的可见光照射后的污染物的吸光度、浓度。三、项目方案（具体研究内容、研究目标、计划、技术路线、人员分工等）1、g-C3N4的制备称取一定量的三聚氰胺于坩埚中,将坩埚放入马弗炉中,在升温速率5℃∙min-1、550℃下焙烧2h，待坩埚冷却后取出,得到淡黄色粉末状的g-C3N4。2、Fe掺杂g-C3N4的制备分别称取0.004、0.01、0.03、0.08gFe(NO3)3∙9H2O溶解在30mL的超纯水中,加入4g的三聚氰胺,搅拌0.5h后,加热至水分蒸干,放入烘箱中,90℃干燥3h。将干燥后的固体用玛瑙研钵研磨后放入坩埚中,550℃下焙烧2h,升温速度5℃∙min-1,待坩埚冷却后取出。得到一系列Fe掺杂g-C3N4催化剂,记为x%Fe-C3N4,其中x%为Fe与g-C3N4的质量比。2.3结构表征用透射电子显微镜(TEM)，扫描电子显微镜(SEM)分析样品的形貌和电子衍射，X射线衍射(XRD)对样品进行物相分析，利用傅里叶红外光谱(FTIR)确认样品的化学键结构，利用紫外可见漫反射光谱(UV-Vis)分析光吸收能力和禁带宽度。2.4光催化反应性能测试配制500mL浓度为10mg∙L-1罗丹明B溶液,将其分成若干等分置于无色透明的玻璃反应器中，分别加入0.1gg-C3N4和一系列Fe掺杂g-C3N4催化剂后进行光催化反应,在黑暗条件下搅拌60min，利用氙灯(300W)光照，一定时间后取上层清液，用紫外可见分光光度计在554nm处测定其吸光度，并计算其降解率。四、项目特色与创新点Fe掺杂改变了g-C3N4的电子结构,降低了带隙能,提高了对可见光的吸收,抑制了光生电子-空穴对的复合。显著提高其在可见光下光催化降解罗丹明B（RhB）的光催化活性。此外，项目中运用到多种现代化学研究方法，对项目组成员科学创新能力的锻炼十分有利，能够达到大学生科创活动的培养目的。五、参考文献【1】吴思展，《类石墨氮化碳（g-C3N4）的合成、加工处理、修饰及其光催化性能的研究》，2014年，华南理工大学【2】金瑞瑞游继光张倩刘丹胡绍争，《Fe掺杂g-C3N4的制备及其可见光催化性能》，2014年，辽宁石油化工大学化学化工与环境学部