氮化碳基纳米材料的可控合成及光催化性能研究

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1、单位代码：111414学号：2013316006中图分类号：O643.3题目氮化碳基纳米材料的可控合成及光催化性能研究学科专业材料科学与工程研究方向新能源功能材料调控与物化性能究生教育博士生韩长存指导教师陈长风教授戈磊教授二○一七年五月ControllableSynthesisandPhotocatalyticPropertiesofg-C3N4BasedNanomaterialsDissertationsubmittedtoChinaUniversityofPetroleum,Beijinginpartialfulfillmentoftherequirementsf

2、orthedegreeofDoctorofEngineeringByHanChangcun（MaterialsScienceandEngineering）DissertationSupervisorProf.ChenChangfengandProf.GeLeiMay,2017博士学位论文独创性声明郑重声明:本博士学位论文是作者个人在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他个人和集体己经发表或撰写的研究成果,也不包含为获得中国石油大学或者其它单位的学位或证书所使用过的材料。对本研究做出贡献的个人和集体,均己在论文中

3、做了明确的说明并表示了谢意。作者和导师完全意识到本声明产生的法律后果并承担相应责任。良各作者签名:日期:廴7.`‘'r导师签名:嘱跚'∫博士学位论文版权使用授权书(北京)学位论文版权使本学位论文作者及指导教师完全了解中国石油大学用的有关规定,使用方式包括但不限于:学校有权保留并向有关部门和机构送交学位论文的复印件和电子版;允许学位论文被查阅和借阅;学校可以公布学位论文的全部或部分内容,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存Tll汇编学位论文;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。本学位论文属于保密范围,保密期限0年,解密后适用本授权书。本学位论文作者

4、如需公开出版学位论文的部分或全部内容,必须征得导帅书面同意,且须以中国石油大学(北京)为第一署名单位。%W.弼,吖作懿名:辂欠任日期:叨∫7‘湄`吖导师签名:磊日期:摘要摘要能源危机和环境污染是当代社会可持续发展面临的两大难题。太阳能作为一种可再生能源，是实现人类可持续发展的基础。半导体光催化剂可以利用清洁、资源丰富的太阳能光解水制氢和降解环境污染物等。为充分发挥光催化剂在新能源开发、环境净化等方面的优势，设计与合成新型高效的光催化材料是目前光催化领域迫切而具有挑战性的重要课题。石墨相氮化碳（g-C3N4）是一种有机半导体材料，具有适合的禁带宽度和化学稳定性。通过深入

5、研究复合光催化剂的可控合成，系统探讨了助催化剂结构和光催化活性之间的关系。本论文研制了数种光催化剂，可进一步拓宽g-C3N4光催化剂在能源危机缓解和环境污染控制领域内的应用。主要研究内容如下：（1）通过化学还原和热处理的方法，构筑AuPd/g-C3N4复合光催化体系。复合体系保持着原始g-C3N4光催化剂的结构和形貌。当g-C3N4光催化剂表面负载AuPd二元合金后，复合光催化剂析氢速率比单一贵金属的速率都要高。当AuPd负载量为0.5wt%时，复合光催化剂显示了最优的光催化活性，光催化析氢速率达到326μmol·h-1·g-1。表面光电压技术探究光生电子可以在异质结

6、界面的转移方向，可进一步理解光生电子的转移过程。（2）采用溶剂热法成功制备了PtCo纳米颗粒修饰的二维PtCo/g-C3N4超薄纳米片光催化剂。本实验利用NH4Cl热解过程中产生的HCl和NH3气体做模板制备高比表面的g-C3N4光催化剂纳米片。相对于Pt/g-C3N4光催化剂，PtCo/g-C3N4纳米片光催化析氢活性得到了显著的提高，析氢速率达到了960μmol·h-1·g-1。二元合金独特的能带位置结构，抑制了光生电子和空穴对的重组，从而提高光催化析氢活性。（3）通过气泡模板法制备了g-C3N4纳米片光催化剂，并采用光还原和氢气还原的方法制备新型的AuPd/g-

7、C3N4（H2）光催化剂。经过优化后的光催化剂，析氢速率达到了2145μmol·h-1·g-1，是最初AuPd二元合金负载g-C3N4光催化剂的6.6倍。HPO2-4作为水分解的催化剂，直接参与光催化反应，从而产生一种新的质子还原过程：HPO2-3-4与光生电子相互作用，在金属和半导体界面处产生PO4和H2。（4）通过分析Co3O4/g-C3N4和Ag@AgCl光催化剂降解甲基橙染料过程中的活性物种，深入探究光催化过程中的本质。石墨相g-C3N4表面负载Co3O4后，降解有机物的催化活性得到明显提升。电子自旋共振技术表明超氧自由基是复合样摘要品主要活