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化工技术之不同前驱体制备g-C3N4光催化性能及稳定性

发布日期: 2019-12-02

来源: www.qdf0605.com

  • 资料大小: 1.30MB
  • 资料类别: 化工论文
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  • 更新时间: 2019-12-02
  • 发布者: 清道夫环保网

基本简介

化工技术之不同前驱体制备g-C3N4光催化性能及稳定性

不同前驱体制备g-C3N4光催化性能及稳定性

(1)本文分别以硫脲、二氰二胺、三聚氰胺和尿素为前驱体,550℃条件下热聚合法成功合成g-C3N4结果表明所有样品都呈现出相似的晶相结构以尿素为前驱体合成的g-C3N4聚合度最高,光学吸收特性最佳比表面积最大为82.5m2/g,C/N摩尔分数最高为66.9%

(2)光催化性能结果表明以尿素为前驱体制得的g-C3N4光催化活性最佳,3h内对亚甲基蓝的降解率达到了61.8%。对4种前驱体制成的g-C3N4进行了重复性实验结果表明,相同实验条件下,各样品都保持着较高的稳定性。

能源危机和环境污染已经成为当今社会最迫切需要解决的两大问题半导体光催化技术在太阳能转换和环境治理方面发挥着巨大的潜能。近年来一种新的可见光催化材料g-C3N4(2.7eV),有着独特的半导体能带结构、优异的化学稳定性和热稳定性且价格低廉制备简单可由多种前驱体如尿素硫脲、二氰二胺、三聚氰胺等通过一步聚合法直接制得。

有研究表明不同前驱体制得的g-C3N4光催化活性存在差异。Xin分别用单氰胺、双氰胺和三聚氰胺在同一实验条件下制得g-C3N4结果表明前驱体为双氰胺的g-C3N4光催化活性最好。Wang和其他合作者采用含硫性物质硫脲、硫氰酸胺、S8作为前驱体和反应介质g-C3N4的热聚合过程进行调控从而提高了其对污染物的降解活性。尿素价廉易得现有研究很少以尿素为前驱体和以其他材料为前驱体来比较他们在可见光下的光催化活性基于此本文采用尿素、硫脲、二氰二胺、三聚氰胺4种前驱体热聚合法制备g-C3N4分别考察其在可见光条件下的光催化活性和稳定性。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

硫脲、三聚氰胺、尿素、亚甲基蓝、二氰二胺均为分析纯。

QSXL-1008型马弗炉;XPA-7型光催化反应仪;TU-1901型紫外可见分光光度计;JEM-2100型扫描电镜;XRD-6100X射线衍射仪;S400型傅里叶变换红外光谱仪;U3010UV-Vis漫反射光谱;ASAP2010物理吸附仪。

1.2 催化剂的制备

分别称取10.0g的尿素、硫脲、二氰二胺、三聚氰胺固体溶于10mL去离子水中,混合搅拌均匀然后80℃条件下烘干将烘干后的固体置于带盖的坩埚中氮气气氛条件下马弗炉中煅烧2h,保持煅烧温度550℃,升温速率5℃/min,自然冷却到室温后将得到的黄色固体研磨成粉末备用分别将以硫脲、二氰二胺、三聚氰胺、尿素为前驱体制得的系列催化剂命名为g1-C3N4,g2-C3N4,g3-C3N4,g4-C3N4

1.3 光催化活性评价

光催化活性评价使用XPA光催化反应仪采用1000W氙灯,用滤光片滤去>420nm的紫外光,保证实验在可见光下进行。实验时,称取催化剂0.05g,10mg/L的亚甲基蓝为目标污染物,反应溶液100mL将催化剂与溶液超声混合均匀。反应开始前先将催化剂与亚甲基蓝溶液于磁力搅拌条件下暗反应30min,以达到催化剂对反应底物的吸附-脱附平衡,然后打开光源,预热5min后开始计时此后每隔30min取样2mL0.45μm的滤头滤去催化剂,稀释1倍后在664nm处测其吸光度,整个反应过程持续3h

2 结果与讨论

2.1 光催化性能测试

不同前驱体制备的g-C3N4光催化性能见图1

不同前驱体制备g-C3N4光催化性能及稳定性 

1 不同前驱体制备的g-C3N4光催化性能

Fig.1 Photocatalytic performance of g-C3N4 prepared by different precursors

由图1可知,以硫脲、二氰二胺、三聚氰胺、尿素为前驱体制得的g-C3N4在可见光条件下对亚甲基蓝的降解率存在差异,其中,g4-C3N4对亚甲基蓝的降解率最高,3h达到了61.8%,g1-C3N4,g2-C3N4,g3-C3N4也分别达到39%53%47%所以,尿素为前驱体制得的g-C3N4其光催化活性最佳其次是二氰二胺硫脲为前驱体时降解率最低。这一方面可能是由于尿素在热聚合过程中的聚合度最高另一方面是因为尿素制得的g-C3N4有着较大的比表面积和孔体积,表面活性位点增加因此催化效率最高。

2.2 SEM分析

4种样品的形貌进行了SEM表征结果见图2

 

2 g1-C3N4(a)g2-C3N4(b)、g3-C3N4(c)和g4-C3N4(d)SEM

Fig.2 SEM images of g1-C3N4、g2-C3N4、g3-C3N4 and g4-C3N4

由图2可知,(a),(b)(c),这三种前驱体合成的g-C3N4有着相似的外貌结构都呈现出层状、卷曲状、薄片状堆积的结构类似石墨结构(c)呈块状堆积结构。由(d)可看出尿素合成的g-C3N4有着较多的孔道结构,推测其比表面积较大,这一推测在N2吸附表征中得到了验证。

2.3 XRD分析

不同前驱体制备的g-C3N4XRD图谱见图3

 

3 g1-C3N4(a)g2-C3N4(b)、g3-C3N4(c)和g4-C3N4(d)XRD图谱

Fig.3 XRD patterns of g1-C3N4、g2-C3N4、g3-C3N4 and g4-C3N4

由图3可知所有样品都具有g-C3N4典型的两特征峰表明成功的合成了g-C3N4两峰位置分别位于2θ=13°2θ= 27.4°晶面指数对应g-C3N4(100)(002)。其中2θ=13°的衍射峰对应的是g-C3N4中均三嗪结构单元的特征峰其晶面间距约为0.681nm;较强的衍射峰2θ=27.4°对应的是g-C3N4中共轭芳香杂环堆积结构其晶面间距约为0.327nm。此外可以看出,g1-C3N4的峰相对较,低聚合度不高,而g4-C3N4的衍射峰强度最高,峰形相比也比较尖锐说明以尿素为前驱体制得的g-C3N4结晶度最好,这和光催化性能实验的结果一致在相同时间内,g4-C3N4的光催化活性最高。

2.4 FTIR分析

不同前驱体制备的g-C3N4粉末的FTIR光谱见图4

 

4 g1-C3N4(a)g2-C3N4(b)、g3-C3N4(c)和g4-C3N4(d)FTIR图谱

Fig.4 FTIR spectra of g1-C3N4、g2-C3N4、g3-C3N4 and g4-C3N4 

由图4可知图中几个典型的吸收峰值显示了CN间化学键特征振动模式。在810cm-1处的吸收峰值对应三嗪单元的特征呼吸模型位于1250~1580cm-1之间的几个较强的吸收区域可归因于C-N杂环的拉伸模式吸收峰值约1336cm-1处归悃于C-N1641cm-1处来自C=N的拉伸模式。3100~3300cm-1处较宽的吸收带来自伯胺和仲胺的拉伸模式及其分子间氢键的相互作用。约3000cm-1的吸收峰可能是由于吸附的水分子产生的O-H。实际上,有报道称残留的氢原子可能来自类石墨C-N片的边缘上的C-NH2形式和2C-NH键中的H

2.5 UV-Vis分析

为了研究样品的光学吸收特性对光催化活性的影响4种样品进行了UV-Vis漫反射光谱表征,结果见图5

 

5 g1-C3N4(a)g2-C3N4(b)、g3-C3N4(c)和g4-C3N4(d)UV-Vis图谱

Fig.5 UV-Vis diffuse reflection spectra of g1-C3N4、g2-C3N4、g3-C3N4 and g4-C3N4

由图5可知,g1-C3N4、g2-C3N4、和g3-C3N4有着相似的吸收特性光吸收边界在475nm左右g4-C3N4的光吸收特性最强对可见光的吸收边界也显示出明显的红移现象。这也就解释了为什么以尿素为前驱体合成的g-C3N4在可见光条件下的光催化活性最好。此外在各样品的吸收尾部存在微弱的吸收现象这可能会改善材料对可见光的吸收,产生这种现象的原因可能由于样品在热聚合过程中引起的结构缺陷。

2.6 N2吸附

64种前驱体合成的g-C3N4在常温下的N2吸附-脱附等温线。

 

6 g1-C3N4、g2-C3N4、g3-C3N4和g4-C3N4N2吸附-脱附等温线

Fig.6 N2 adsorption-desorption isotherms of g1-C3N4、g2-C3N4、g3-C3N4 and g4-C3N4

由图6可知,4种样品都呈现出典型的型曲线说明合成的g-C3N4均具有介孔结构。g1-C3N4g2-C3N4、g3-C3N4和g4-C3N4四种样品的比表面积分别为8.14,24.08,11.17,82.50m2/g,可以看出,以尿素为前驱体合成的g-C3N4其比表面积最大,远远大于以硫脲、二氰二胺和三聚氰胺为前驱体合成的g-C3N4,其次为g2-C3N4,g1-C3N4的比表面积最小,这和光催化性能测试的结果是一致的。这也就解释了g4-C3N4光催化活性最佳的部分原因,较大的比表面积有助于样品对污染物的吸附和反应。

2.7 元素分析

为了考察各样品元素含量对光催化活性的影响对各样品做了元素分析,结果见表 特别提示:本资源需要会员组权限,普通注册用户无法下载。

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