催化学报
催化學報
최화학보
Chinese Journal of Catalysis
2015年
12期
2135-2144
,共10页
氧空位氧化锌%石墨化氮化碳%复合光催化剂%光降解%Z型
氧空位氧化鋅%石墨化氮化碳%複閤光催化劑%光降解%Z型
양공위양화자%석묵화담화탄%복합광최화제%광강해%Z형
Oxygen deficient zinc oxide%Graphitic carbon nitride%Hybrid photocatalysts%Photodegradation%Z-scheme
随着科学技术的不断进步和经济的快速发展,人类对自然资源的需求量越来越大,在开发利用自然资源的同时,大量的有机污染物也随之进入自然环境.这些物质不仅污染环境、破坏生态,更对人类的生活和健康带来了巨大的威胁.研究证实,半导体光催化剂在光照条件下可以破坏有机污染物的分子结构,最终将其氧化降解成CO2、H2O或其它不会对环境产生二次污染的小分子,从而净化水质.近年来,有关光催化降解有机污染物的报道日益增多. ZnO作为一种广泛研究的光催化降解材料,因其无毒、低成本和高效等特点而具有一定的应用前景.但是ZnO较大的禁带宽度(3.24 eV)导致其只能吸收紫外光部分,而对可见光的吸收效率很小,极大地制约了其实际应用.除此之外, ZnO受光激发产生的电子-空穴分离效率较低、光催化过程中的光腐蚀严重也是制约其实际应用的重要因素.为了提高ZnO的光催化活性和稳定性,本文合成了用g-C3N4修饰的氧空位型ZnO(g-C3N4/Vo-ZnO)复合催化剂,在有效调控ZnO半导体能带结构的同时,通过负载一定量的g-C3N4以降低光生电子-空穴对的复合速率和反应过程中ZnO的光腐蚀,增强催化剂的光催化活性和稳定性.本文首先合成前驱体Zn(OH)F,然后焙烧三聚氰胺和Zn(OH)F的混合物得到g-C3N4/Vo-ZnO复合催化剂,并采用电子顺磁共振波谱(EPR)、紫外-可见光谱(UV-vis)、高分辨透射电镜(HRTEM)和傅里叶变换红外光谱(FT-IR)等表征了它们的结构及其性质. EPR结果表明,ZnO焙烧后具有一定浓度的氧空位,导致其禁带宽度由3.24 eV降至3.09 eV,因而提高了ZnO对可见光的吸收效率. UV-vis结果显示, Vo-ZnO复合g-C3N4后对可见光的吸收显著增强. HRTEM和FT-IR结果均表明, g-C3N4纳米片和Vo-ZnO颗粒之间通过共价键形成了强耦合,这对g-C3N4/Vo-ZnO复合催化剂中光生载流子的传送和光生电子-空穴对的有效分离起到重要作用.可见光催化降解甲基橙(MO)和腐殖酸(HA)的实验进一步证明, g-C3N4/Vo-ZnO复合材料具有较好的光催化活性,优于单一的g-C3N4或Vo-ZnO材料.同时还发现, g-C3N4的负载量对光催化活性有显著影响,当氮化碳的负载量为1 wt%时,所制材料具有最高的光催化活性：可见光照射60 min后,MO降解率可达到93%, HA降解率为80%.复合材料光催化活性的增强一方面是因为氧空位的形成减小了ZnO的禁带宽度,使得ZnO对可见光的吸收能力大大增强；另一方面, g-C3N4和Vo-ZnO的能带符合了Z型催化机理所需的有效能带匹配,使得光生电子-空穴对得到了有效的分离,从而提高了光催化活性.降解MO的循环实验表明, g-C3N4/Vo-ZnO催化剂具有很好的稳定性且不容易发生光腐蚀.与此同时,我们对比了用不同方法制备的g-C3N4/ZnO材料的催化性能.结果显示,本文制备的g-C3N4/Vo-ZnO复合材料具有更好的降解效率.总体而言,对于降解有机污染物, g-C3N4/Vo-ZnO可能是一个更为有效可行的催化体系.此外,本文也为设计与制备其他新型光催化剂提供了一条新的思路.
隨著科學技術的不斷進步和經濟的快速髮展,人類對自然資源的需求量越來越大,在開髮利用自然資源的同時,大量的有機汙染物也隨之進入自然環境.這些物質不僅汙染環境、破壞生態,更對人類的生活和健康帶來瞭巨大的威脅.研究證實,半導體光催化劑在光照條件下可以破壞有機汙染物的分子結構,最終將其氧化降解成CO2、H2O或其它不會對環境產生二次汙染的小分子,從而淨化水質.近年來,有關光催化降解有機汙染物的報道日益增多. ZnO作為一種廣汎研究的光催化降解材料,因其無毒、低成本和高效等特點而具有一定的應用前景.但是ZnO較大的禁帶寬度(3.24 eV)導緻其隻能吸收紫外光部分,而對可見光的吸收效率很小,極大地製約瞭其實際應用.除此之外, ZnO受光激髮產生的電子-空穴分離效率較低、光催化過程中的光腐蝕嚴重也是製約其實際應用的重要因素.為瞭提高ZnO的光催化活性和穩定性,本文閤成瞭用g-C3N4脩飾的氧空位型ZnO(g-C3N4/Vo-ZnO)複閤催化劑,在有效調控ZnO半導體能帶結構的同時,通過負載一定量的g-C3N4以降低光生電子-空穴對的複閤速率和反應過程中ZnO的光腐蝕,增彊催化劑的光催化活性和穩定性.本文首先閤成前驅體Zn(OH)F,然後焙燒三聚氰胺和Zn(OH)F的混閤物得到g-C3N4/Vo-ZnO複閤催化劑,併採用電子順磁共振波譜(EPR)、紫外-可見光譜(UV-vis)、高分辨透射電鏡(HRTEM)和傅裏葉變換紅外光譜(FT-IR)等錶徵瞭它們的結構及其性質. EPR結果錶明,ZnO焙燒後具有一定濃度的氧空位,導緻其禁帶寬度由3.24 eV降至3.09 eV,因而提高瞭ZnO對可見光的吸收效率. UV-vis結果顯示, Vo-ZnO複閤g-C3N4後對可見光的吸收顯著增彊. HRTEM和FT-IR結果均錶明, g-C3N4納米片和Vo-ZnO顆粒之間通過共價鍵形成瞭彊耦閤,這對g-C3N4/Vo-ZnO複閤催化劑中光生載流子的傳送和光生電子-空穴對的有效分離起到重要作用.可見光催化降解甲基橙(MO)和腐殖痠(HA)的實驗進一步證明, g-C3N4/Vo-ZnO複閤材料具有較好的光催化活性,優于單一的g-C3N4或Vo-ZnO材料.同時還髮現, g-C3N4的負載量對光催化活性有顯著影響,噹氮化碳的負載量為1 wt%時,所製材料具有最高的光催化活性：可見光照射60 min後,MO降解率可達到93%, HA降解率為80%.複閤材料光催化活性的增彊一方麵是因為氧空位的形成減小瞭ZnO的禁帶寬度,使得ZnO對可見光的吸收能力大大增彊；另一方麵, g-C3N4和Vo-ZnO的能帶符閤瞭Z型催化機理所需的有效能帶匹配,使得光生電子-空穴對得到瞭有效的分離,從而提高瞭光催化活性.降解MO的循環實驗錶明, g-C3N4/Vo-ZnO催化劑具有很好的穩定性且不容易髮生光腐蝕.與此同時,我們對比瞭用不同方法製備的g-C3N4/ZnO材料的催化性能.結果顯示,本文製備的g-C3N4/Vo-ZnO複閤材料具有更好的降解效率.總體而言,對于降解有機汙染物, g-C3N4/Vo-ZnO可能是一箇更為有效可行的催化體繫.此外,本文也為設計與製備其他新型光催化劑提供瞭一條新的思路.
수착과학기술적불단진보화경제적쾌속발전,인류대자연자원적수구량월래월대,재개발이용자연자원적동시,대량적유궤오염물야수지진입자연배경.저사물질불부오염배경、파배생태,경대인류적생활화건강대래료거대적위협.연구증실,반도체광최화제재광조조건하가이파배유궤오염물적분자결구,최종장기양화강해성CO2、H2O혹기타불회대배경산생이차오염적소분자,종이정화수질.근년래,유관광최화강해유궤오염물적보도일익증다. ZnO작위일충엄범연구적광최화강해재료,인기무독、저성본화고효등특점이구유일정적응용전경.단시ZnO교대적금대관도(3.24 eV)도치기지능흡수자외광부분,이대가견광적흡수효솔흔소,겁대지제약료기실제응용.제차지외, ZnO수광격발산생적전자-공혈분리효솔교저、광최화과정중적광부식엄중야시제약기실제응용적중요인소.위료제고ZnO적광최화활성화은정성,본문합성료용g-C3N4수식적양공위형ZnO(g-C3N4/Vo-ZnO)복합최화제,재유효조공ZnO반도체능대결구적동시,통과부재일정량적g-C3N4이강저광생전자-공혈대적복합속솔화반응과정중ZnO적광부식,증강최화제적광최화활성화은정성.본문수선합성전구체Zn(OH)F,연후배소삼취청알화Zn(OH)F적혼합물득도g-C3N4/Vo-ZnO복합최화제,병채용전자순자공진파보(EPR)、자외-가견광보(UV-vis)、고분변투사전경(HRTEM)화부리협변환홍외광보(FT-IR)등표정료타문적결구급기성질. EPR결과표명,ZnO배소후구유일정농도적양공위,도치기금대관도유3.24 eV강지3.09 eV,인이제고료ZnO대가견광적흡수효솔. UV-vis결과현시, Vo-ZnO복합g-C3N4후대가견광적흡수현저증강. HRTEM화FT-IR결과균표명, g-C3N4납미편화Vo-ZnO과립지간통과공개건형성료강우합,저대g-C3N4/Vo-ZnO복합최화제중광생재류자적전송화광생전자-공혈대적유효분리기도중요작용.가견광최화강해갑기등(MO)화부식산(HA)적실험진일보증명, g-C3N4/Vo-ZnO복합재료구유교호적광최화활성,우우단일적g-C3N4혹Vo-ZnO재료.동시환발현, g-C3N4적부재량대광최화활성유현저영향,당담화탄적부재량위1 wt%시,소제재료구유최고적광최화활성：가견광조사60 min후,MO강해솔가체도93%, HA강해솔위80%.복합재료광최화활성적증강일방면시인위양공위적형성감소료ZnO적금대관도,사득ZnO대가견광적흡수능력대대증강；령일방면, g-C3N4화Vo-ZnO적능대부합료Z형최화궤리소수적유효능대필배,사득광생전자-공혈대득도료유효적분리,종이제고료광최화활성.강해MO적순배실험표명, g-C3N4/Vo-ZnO최화제구유흔호적은정성차불용역발생광부식.여차동시,아문대비료용불동방법제비적g-C3N4/ZnO재료적최화성능.결과현시,본문제비적g-C3N4/Vo-ZnO복합재료구유경호적강해효솔.총체이언,대우강해유궤오염물, g-C3N4/Vo-ZnO가능시일개경위유효가행적최화체계.차외,본문야위설계여제비기타신형광최화제제공료일조신적사로.
With the objectives of enhancing the stability, optical properties and visible‐light photocatalytic activity of photocatalysts, we modified oxygen vacancy‐rich zinc oxide (Vo‐ZnO) with graphitic car‐bon nitride (g‐C3N4). The resulting g‐C3N4/Vo‐ZnO hybrid photocatalysts showed higher visible‐light photocatalytic activity than pure Vo‐ZnO and g‐C3N4. The hybrid photocatalyst with a g‐C3N4 content of 1 wt%exhibited the highest photocatalytic degradation activity under visible‐light irradiation (λ≥400 nm). In addition, the g‐C3N4/Vo‐ZnO photocatalyst was not deactivated after five cycles of methyl orange degradation, indicating that it is stable under light irradiation. Finally, a Z‐scheme mechanism for the enhanced photocatalytic activity and stability of the g‐C3N4/Vo‐ZnO hybrid pho‐tocatalyst was proposed. The fast charge separation and transport within the g‐C3N4/Vo‐ZnO hybrid photocatalyst were attributed as the origins of its enhanced photocatalytic performance.
