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g-C3N4及其复合材料的制备及光降解性能的研究的开题报告一、研究背景和意义纳米材料是一种组织结构在纳米尺度范围内的材料，纳米材料由于其高比表面积、小尺寸效应等特点，具有与传统材料完全不同的特殊物理、化学和生物学性质，对于环境治理和生态保护具有重要的意义。
其中，纳米半导体材料具有良好的光催化性能和吸光能力，这使得它们在处理有机废水、水中有毒物质和空气中的污染物等方面具有广泛应用前景。
常用的纳米半导体材料包括二氧化钛（TiO2）、氮化硼（BN）、二硫化钼（MoS2）等。
其中具有独特优势的是氮化碳（g-C3N4）材料，因其优异的化学稳定性、低毒性和较高的光催化性能而备受关注。
此外，g-C3N4材料还可以与其他纳米材料组成复合材料，具有独特的光电催化性能和催化机制。
因此，本文旨在研究g-C3N4及其复合材料的制备方法和光降解性能，为环境治理和污染物治理提供新方案。
二、研究内容和方法1. 制备g-C3N4纳米材料和复合材料本研究将采用模板法、热聚合法、溶胶-凝胶法等方法制备g-C3N4纳米材料，并将其与各种纳米材料如二氧化钛、氧化铜、氢氧化铁等进行复合。
同时调控反应参数，探究制备工艺对材料性能的影响。
2. 表征材料结构和性质利用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线光电子能谱（XPS）等分析表征手段研究材料的物理结构和化学性质。
3. 研究光催化分解有机污染物利用紫外可见光束测试仪，评价g-C3N4和复合材料对有机污染物（如罗丹明B）降解的光催化性能，研究不同反应条件下反应速率和降解效率的变化规律。
4. 探究光催化机制通过实验和理论研究，探究g-C3N4和复合材料光催化降解有机污染物的机制，进一步深化对材料性质和催化机制的认识。
三、研究预期成果本研究预期实现以下成果：1. 成功制备g-C3N4纳米材料和多种复合材料，并探究制备工艺对材料性质的影响。
2. 对制备的材料进行充分表征，并明确其物理结构和化学性质。
高比表面积gC3N4的合成及光催化研究1. 本文概述本文旨在探讨高比表面积gC3N4材料的合成策略及其在光催化领域的最新研究进展。
二维层状gC3N4作为一种环境友好且资源丰富的非金属半导体材料，由于其独特的共轭结构、合适的带隙宽度、以及丰富的表面含氮活性位点，已在光催化分解水、有机污染物降解、CO2还原等诸多领域展现出巨大的应用潜力。
gC3N4原始形态的光催化性能受到低比表面积和较差的光生电荷迁移效率限制。
针对这一问题，本研究集中关注通过优化合成方法，如调控前驱体的选择、热处理工艺、以及采用不同的结构设计策略（如层间堆垛调控、引入缺陷、构建异质结结构等），来实现高比表面积gC3N4材料的可控合成。
文中首先概述了gC3N4的晶体结构特点与光催化基本原理，随后详细介绍了各种有效提高gC3N4比表面积的技术手段，包括多晶结构调控、掺杂改性、构筑复合材料等，并分析了这些改性方法对材料光催化性能的具体影响机制。
实验部分，我们系统地合成了多种高比表面积gC3N4样品，并利用系列表征技术对其结构特征进行了详尽的分析验证。
通过对各类改性gC3N4材料在典型光催化反应中的活性评价，评估了比表面积提升对于光催化效率的实际贡献，旨在为开发高性能、可持续的gC3N4基光催化材料提供理论指导和技术支持2. 材料制备方法在《高比表面积gC3N4的合成及光催化研究》一文中，“材料制备方法”段落可以这样撰写：本研究采用热缩聚法制备具有高比表面积的二维共轭聚合物gC3N4。
选用三聚氰胺作为前驱体，因其氮含量高且易于热解转化为gC3N4。
具体的制备步骤如下：原料预处理：精确称取适量的高纯度三聚氰胺置于陶瓷舟内，确保无杂质干扰合成过程。
热解过程：将装有三聚氰胺的陶瓷舟放入马弗炉中，在氮气气氛保护下进行程序升温。
初始温度设定为某一低温（如500），随后以一定的升温速率逐渐升至高温（如550600），并在该温度下保温一定时长（比如几小时），促使三聚氰胺发生热解及聚合反应，生成gC3N4。
g-C3N4基光催化剂的合成及性能优化的研究g-C3N4基光催化剂的合成及性能优化的研究近年来，光催化技术因为其在环境污染治理、能源转化和有机合成等方面的巨大潜力，受到了广泛的关注。
在这些应用中，g-C3N4基光催化剂因其可见光响应和较高的光催化活性而备受瞩目。
g-C3N4是一种类似于石墨烯的二维材料，由碳、氮元素组成。
由于其具有较高的可见光吸收能力和良好的电子传导性，因此成为制备光催化剂的有力候选材料。
然而，纯g-C3N4的光催化活性较低，主要原因是其带隙能量较大，不利于可见光的吸收。
因此，针对g-C3N4的合成和性能优化成为了当前研究的热点之一。
目前，研究者们通过一系列方法来合成g-C3N4光催化剂，并改善其光催化性能。
一种常见的方法是通过热聚合的方式制备g-C3N4。
通常，蓝薯、尿素等富含氮元素的有机物被选择为前身，经过简单的热处理即可得到g-C3N4材料。
此外，研究者们还探索了其他合成方法，如溶剂热法、微波辐射法和气相沉积法等。
这些方法在改善光催化性能方面发挥了积极的作用。
为了进一步提高g-C3N4光催化剂的性能，研究者们采用了多种方法对其进行改性。
一种常见的方法是通过掺杂其他元素来引入缺陷或能带调制。
例如，研究者们通过掺杂金属等元素，有效降低了g-C3N4的带隙能量，并增强了其可见光吸收能力。
此外，还有研究表明，通过改变g-C3N4的形貌和结构，也可以显著改善其光催化性能。
如采用纳米多孔结构、片状结构等形貌设计，可以增加催化剂的比表面积和光响应能力。
除了合成和形貌结构的改进，提高光催化性能还需要研究者们合理设计反应体系。
例如，在选择催化剂和底物的组合时，需要考虑其能级匹配和反应活性。
此外，还需要优化催化条件，如光照强度、反应温度、pH值等，以提高催化效率。
同时，研究者们也在不断探索新的催化机制，以深入理解g-C3N4光催化剂的工作原理。
综上所述，g-C3N4基光催化剂的合成及性能优化的研究是一个复杂而富有挑战性的领域。
g-C3N4光催化氧化还原性能调控及其环境催化性能增强g-C3N4（石墨相氮化碳）是一种新型的二维材料，具有片状结构和较高的光吸收能力，因此在光催化氧化还原性能调控和环境催化性能增强方面具有巨大的潜力。
本文将重点探讨g-C3N4的调控与增强，并分析其在环境催化中的应用。
首先，我们来看g-C3N4的光催化氧化还原性能调控。
光催化氧化还原反应是指在光照下，通过光生载流子的产生和迁移，将底物氧化或还原的反应过程。
g-C3N4作为一种光催化材料，其光催化性能主要受到其能带结构和表面缺陷的影响。
g-C3N4的能带结构中，价带和导带之间的带隙决定了光催化的吸光能力和载流子传输能力。
研究表明，通过控制g-C3N4的合成条件，可以调控其能带结构中的带隙大小和分布，进而调节其光催化性能。
例如，通过控制氮化温度和氮热处理条件，可以提高g-C3N4的带隙大小，使其对可见光的吸收能力增强。
此外，纳米结构和复合材料的调控也可以有效改善g-C3N4的光催化性能。
例如，将g-C3N4与其他半导体纳米材料复合，可以使其能隙气凝胶变窄，光吸收范围增广，从而提高光催化活性。
除了能带结构调控外，表面缺陷也是影响g-C3N4光催化性能的重要因素。
表面缺陷通常是指氮缺陷、碳缺陷和碳氮缺陷等，它们可以促进光生载流子的产生和迁移，提高光催化反应的效率。
因此，通过控制合成条件和引入适量的缺陷，可以增强g-C3N4的光催化活性。
例如，一些研究通过在g-C3N4的合成过程中引入硫、磷等掺杂原子，有效提高了其光催化氧化还原性能。
除了光催化氧化还原性能调控外，g-C3N4还具有良好的环境催化性能，特别适用于污水处理和空气净化等领域。
一方面，g-C3N4作为一种可见光响应的材料，可以通过光氧化、光还原或光催化降解等反应途径，将有机污染物转化为低毒或无毒的无机物。
另一方面，g-C3N4还具有一定的光催化氧化性能，可以将气体污染物如一氧化碳、二氧化氮等转化为无害物质。
g-C3N4光催化氧化还原性能调控及其环境催化性能增强g-C3N4是一种新型的低成本、可再生的光催化材料，具有广泛的应用潜力。
然而，其光催化性能的低效率和缺乏环境催化性能限制了其在实际应用中的广泛应用。
因此，调控g-C3N4的光催化氧化还原性能以及增强其环境催化性能成为当前研究的热点。
首先，通过调控g-C3N4的结构和形貌，可以改变其光催化性能。
研究表明，g-C3N4的结构具有影响其光催化性能的重要作用。
例如，调控g-C3N4的间隙结构和表面形貌可以提高其电子传输速率和光吸收能力，从而提高光催化活性。
此外，通过引入杂原子和掺杂材料可以调控g-C3N4的能带结构和能隙大小，进一步优化其光催化性能。
因此，通过调控g-C3N4的结构和形貌可以有效提高其光催化氧化还原性能。
其次，通过调控g-C3N4的表面性质，可以增强其环境催化性能。
g-C3N4的表面性质直接影响其各种催化反应的速率和选择性。
例如，通过在g-C3N4表面修饰共价有机框架材料可以增加其特定催化反应的催化活性和选择性。
此外，利用介孔材料包裹g-C3N4可以增加其比表面积，提高催化反应的效率。
另外，通过调控g-C3N4的表面酸碱性和氧化还原性质，可以调节其对污染物的吸附和催化活性，进一步提高其环境催化性能。
最后，通过复合材料的构建，也可以增强g-C3N4的光催化氧化还原性能和环境催化性能。
g-C3N4与其他材料的复合可以通过协同作用提高其光催化活性和稳定性。
例如，将g-C3N4与纳米金属复合可以增强其光催化还原性能；将其与二氧化钛复合可以提高其环境催化性能。
此外，通过调控复合材料的结构和组成，还可以实现对光催化氧化还原性能和环境催化性能的更精确调控。
综上所述，通过调控g-C3N4的光催化氧化还原性能以及增强其环境催化性能可以有效提高其应用潜力。
未来的研究可以进一步探索g-C3N4在其他领域中的应用，并进一步优化其性能，以实现更大的环境益处综上所述，调控g-C3N4的表面性质和构建复合材料是提高其光催化氧化还原性能和环境催化性能的有效方法。
超薄g-C3N4纳米片的原位制备及其光催化性能研究超薄g-C3N4纳米片的原位制备及其光催化性能研究引言：近年来，光催化材料在环境污染治理、可持续能源等领域展现出巨大潜力。
构建高效的光催化剂对于提高光催化反应效率和光催化设备的实际应用具有重要意义。
石墨烯相氮化碳(graphitic carbon nitride, g-C3N4) 作为一种新兴的二维光催化材料，因其稳定性高、生物和光学兼容性好等特点，受到了广泛关注。
然而，传统制备方法往往存在成本高、盖茨多和晶体大小不均匀等问题，因此需要研究一种原位制备超薄g-C3N4纳米片的方法，并研究其光催化性能。
实验方法：本文采用简单有效的原位模板法制备超薄g-C3N4纳米片。
首先，将三聚氰胺 (melamine) 作为碳源，在加热条件下与氨气(NH3) 反应，形成前驱体。
然后，前驱体和硅石墨烯模板一起进行高温处理，通过模板反应生成超薄g-C3N4纳米片。
最后，采用水洗和加热处理去除模板，得到纯净的超薄g-C3N4纳米片。
实验结果与讨论：通过扫描电子显微镜 (SEM) 和透射电子显微镜 (TEM) 分析，我们观察到制备的超薄g-C3N4纳米片具有平整的片状结构，并且具有高度的片层间隙。
这种片状结构能够提高光催化反应中的光吸收效果，进一步提高光催化性能。
接下来，我们测试了超薄g-C3N4纳米片的光催化性能。
实验中以亚甲基蓝 (methylene blue) 为目标物质，使用紫外光照射样品，并监测目标物质的降解程度。
结果表明，超薄g-C3N4纳米片对亚甲基蓝具有良好的光催化降解效果。
此外，我们进一步测试了不同厚度的g-C3N4纳米片的光催化性能，并与传统g-C3N4纳米颗粒进行对比。
实验结果显示，超薄g-C3N4纳米片呈现出更高的光催化活性和降解效率，这可能是由于其较大的比表面积和优良的结构特性所导致的。
结论：本研究成功地采用原位模板法制备了具有高度片层间隙的超薄g-C3N4纳米片，并研究了其光催化性能。
g-C_3N_4基纳米复合材料的制备及其光催化性能研究五颜六色的饰品、家具早已成为了生活中必不可少的点缀,而印染业大量使用人工有机染料却可能正在毁坏着环境。
近年来,保护环境的号召喊得越来越响亮,如何利用一种对环境友好且高效节能的技术来解决环境污染的问题成为了新世纪科学家们关心的话题。
在上述背景下,半导体光催化技术作为一种绿色无污染的技术,在解决环境污染问题尤其是水污染方面的问题得到了研究者们广泛的关注。
TiO<sub>2</sub>作为一种传统的光催化剂,其在能源与环境领域被研究者们研究了很久。
但是TiO<sub>2</sub>的缺点也很明显,比如它的带隙较大（大约是3.2eV）只能吸收太阳光中处于紫外光区的光,这一点严重地限制了其对太阳光的使用率。
鉴于此,探索一种使用可见光进行催化的光催化剂成为了光催化研究领域的一大热门方向。
g-C<sub>3</sub>N<sub>4</sub>是近些年光催化领域研究的一个热门半导体材料,其禁带宽度比TiO<sub>2</sub>要小（大约是2.7eV）,对可见光有吸收。
除此之外,g-C<sub>3</sub>N<sub>4</sub>具有化学稳定性好、制备方法简便、原料来源丰富等优点。
但是g-C<sub>3</sub>N<sub>4</sub>也有缺点比如:比表面积较小、光生电子和空穴的复合率较高、光催化效率不高等。
构建表面异质结和用金属元素掺杂是改性光催化剂的重要方法,本文从以上两个角度考虑,成功制备出了TiO<sub>2</sub>纳米棒/g-C<sub>3</sub>N<sub>4</sub>纳米片异质结、镧掺杂g-C<sub>3</sub>N<sub>4</sub>纳米片和钆掺杂g-C<sub>3</sub>N<sub>4</sub>纳米片。
g-c3n4纳米片的合成及可见光催化降解亚甲基蓝
G-C3N4纳米片的合成
G-C3N4纳米片是一种由具有高结晶度的有机聚合物构成的纳米结构材料。
其合成通常采用两步法：首先是利用一种类似于模板法的策略来制备高度有序的二聚体，然后通过高温热解的方法将其转化为纳米片。
具体地说，制备高度有序的二聚体的方法是将三聚氰胺和某些含有官能团（如羧酸）的化合物混合在一起，并在二氧化硅表面进行聚合反应。
这样就能制得具有相对规则排列的二聚体。
接下来，通过控制热解温度和时间，可以将这些二聚体转化为G-C3N4纳米片。
可见光催化降解亚甲基蓝
G-C3N4纳米片是一种具有良好的可见光催化性能的材料，可以用于降解有害化学物质。
其中，亚甲基蓝是一种常见的有机染料，被广泛用于纺织、造纸和印刷等行业，但其也会污染环境和危害人类健康。
G-C3N4纳米片的可见光催化降解亚甲基蓝的机理是利用其内部的π共轭系统吸收可见光并产生电子和空穴，从而加速亚甲基蓝分子的氧化反应。
此外，添加过硫酸铵等氧化剂也可以提高这种催化剂的降解效果。
总的来说，G-C3N4纳米片是一种具有重要应用潜力的纳米材料，在环境治理和能源领域方面具有广泛的应用前景。
g-C3N4基光催化剂的制备及性能的研究g-C3N4基光催化剂的制备及性能的研究近年来，随着环境污染和能源危机的日益加剧，人们对环境友好和高效能源转化技术的需求与日俱增。
因此，研究开发一种高效的光催化剂成为了科学家们的研究焦点之一。
g-C3N4（石墨相氮化碳）因其良好的光催化性能而备受关注，可以用来降解有害物质、产生氢气或二氧化碳还原等。
g-C3N4基光催化剂的制备方法主要有热处理法、因子法、溶胶-凝胶法、冷冻干燥法等。
其中，热处理法是制备g-C3N4最常见的方法之一。
首先，选择适当和廉价的前驱体（如尿素），通过热聚合反应形成含有大量三氮（C3N4）键的大分子聚合物。
然后，将聚合物在高温条件下进行热分解，生成g-C3N4晶体。
这种方法具有简单、经济的优势，但由于热解条件的限制，得到的g-C3N4往往具有较低的比表面积和较大的颗粒粒径。
研究者们还通过导入不同的掺杂元素，如硫、铁和硼等，来改善g-C3N4的光催化性能。
掺杂能够引入新的能带，扩宽g-C3N4的光响应范围，增强电子和空穴的分离效率。
此外，选择合适的载体材料也可以提高g-C3N4的催化活性。
由于g-C3N4的特殊结构，它在水中的分散性较差。
因此，在制备g-C3N4光催化剂时，通常采用混合材料的形式，例如将g-C3N4与TiO2、ZnO或二氧化硅等载体相结合。
这些载体材料可以提供更大的比表面积和更好的分散性，从而促进光催化剂的光吸收和催化反应效率。
除了制备方法的改进，研究者们还注意到了g-C3N4的光催化机理和提高催化性能的策略。
g-C3N4在光照条件下可以产生电子-空穴对，其中电子和空穴分别参与催化反应中的还原和氧化过程。
因此，提高g-C3N4的分离效率是提高光催化性能的关键。
研究发现，调控杂质浓度和晶体结构可以有效地改善g-C3N4光生载流子的分离效率。
此外，结构修饰和表面修饰也是提高g-C3N4光催化活性的重要途径。
例如，g-C3N4的表面可通过改性和修饰来引入更多的催化活性位点，提高催化剂的催化活性和稳定性。
g-C_3N_4及其复合材料的制备及光降解性能的研究【摘要】：本论文考察了g-C3N4及复合材料的制备和表征,并研究了在可见光或紫外光下降解甲基橙(MO)的性能。
石墨型碳氮化合物(g-C3N4)具有可以吸收太阳能、化学性质和光学性质稳定、有合适的氧化电势等优良性质,因此受到研究工作者越来越广泛的关注。
以三聚氰胺、尿素、双氰胺等富氮有机物为前驱体就可以制备g-C3N4。
目前,尽管制备碳氮化合物(g-C3N4)的方法有许多种,但是比较简单的能大规模合成g-C3N4的方法还需要进一步的探索研究。
以纳米半导体材料为催化剂,利用太阳能绿色技术,直接光催化分解水和降解有机污染物具有广泛的应用前景。
但是由于单一半导体材料的光生电子-空穴对具有较高的复合率和对光的利用率低,导致其光催化效率会较低。
为了克服单一半导体材料的这些缺点,增强催化剂对光的吸收范围和抑制光生电子-空穴对的复合效率,并提高其光催化效率已经成为纳米半导体复合材料的研究热点。
本文主要利用简单的机械混合法和一步焙烧法制备了g-C3N4-NiO、g-C3N4-Zn0和g-C3N4-La2O3催化剂,并通过FT-IR、BET、XRD、SEM、PL等多种手段对催化剂进行了表征,并在紫外光或可见光下降解MO来评价催化剂的光催化活性,同时考察了制备方法和g-C3N4的加入量对催化剂光降解效率的影响。
通过实验,我们得出下面的结论：(1)制备方法和g-C3N4的加入量是影响催化剂活性的两个主要因素,机械混合法制备的催化剂的活性低于经过焙烧以后制备的催化剂活性,这由实验g-C3N4和g-C3N4-Zn0可以得到证实。
(2)以不同前驱体制备的催化剂g-C3N4-NiO、g-C3N4-Zn0和g-C3N4-La203在可见光或紫外光下降解MO,实验结果表明随着g-C3N4的复合量的增加催化剂的光降解效率是先增大后降低。
(3)将密胺和NiO机械混匀,在半封闭状态下经焙烧制得催化剂g-C3N4-NiO,其中g-C3N4-NiO-2的降解效率最高；将用尿素和ZnO机械混匀,在半封闭状态下经焙烧制得的系列催化剂g-C3N4-Zn0,其中g-C3N4-Zn0-5.6的降解效果是最好的；由尿素制备的g-C3N4和La2O3进行机械混合制备的催化剂g-C3N4-La2O3,当La2O3/g-C3N4-3时的催化活性最好。
基于g-C_3N_4的复合光催化剂的制备及其催化性能研究基于半导体的光催化过程由于其具有价格低廉、环境友好的独特优势而被广泛认为是解决能源和环境问题的一种非常有前途的策略。
目前,半导体光催化剂的表面修饰与改性、大比表面积纳米结构的制备以及半导体异质结的构建是提高半导体材料光催化性能的三个最基本的手段。
本文以石墨相氮化碳(g-C3N4)为研究对象,采用染料敏化、热剥离、构建异质结等方法对g-C3N4进行改性、修饰,研发出具有优异性能的光催化材料,在光芬顿降解有机污染物,光催化固氮方面具有优异的性能。
主要创新性研究结果如下:(1)针对g-C3N4光催化剂带隙较宽,对可见范围的太阳光谱响应有限的不足,我们利用3,4,9,10-茈酸酐、酞菁铜和钴绿三种染料单独或两两组合对g-C3N4进行了染料敏化。
采用UV-VisDRS手段对敏化后的g-C3N4光吸收特性进行了表征。
研究表明,在染料不发生分解的前提下,敏化温度越高,敏化效果越好。
通过简单染料敏化拓宽了g-C3N4的光吸收范围至1000nm波长处,显著的提高了对光的利用效率。
证实了通过染料敏化方法可以改变某些半导体光催化剂对可见光的响应范围,弥补宽带隙半导体材料在太阳能利用方面的不足,提高对太阳光的利用效率。
(2)为了克服常规g-C3N4易团聚、表面活性位点暴露不充分的不足,本论文用g-C3N4进行H2SO4插层并热剥离得到二维纳米片组成的TE-g-C3N4。
采用XRD,XPS,FTIR,SEM,BET,UV-Vis DRS和PL等手段对TE-g-C3N4进行表征。
并将TE-g-C3N4结合光芬顿反应,评价其降解染料RhB的性能,同时分析了TE-g-C3N4的光电化学性能。
研究表明,TE-g-C3N4的比表面积达59 n2g-1是g-C3N4的2.4倍,因此具有更多的活性位点。
TE-g-C3N4作为光催化剂比g-C3N4显示出对RhB更优异的降解能力。
RhB 降解速率是g-C3N4的2倍,在加入Fe3+后降解速率进一步加快,并且TE-g-C3N4在5次循环使用后,光催化活性仍然保持了初始值的80%以上。
g-C3N4复合光催化材料的设计合成及其光催化性能研究中期报告摘要：本文研究了一种新型g-C3N4复合光催化材料的设计合成及其光催化性能，并进行了中期报告。
首先，以尿素为原料，采用水热法合成纳米片状的g-C3N4；然后，利用溶剂挥发法和离子交换法，制备了ZnO和Fe2O3纳米颗粒，将其和g-C3N4复合，制备了ZnO/g-C3N4和Fe2O3/g-C3N4光催化剂；最后，采用紫外-可见漫反射光谱、透射电镜、X射线衍射、傅里叶变换红外光谱等方法，对所制备的复合光催化剂进行了表征，并研究了其光催化性能。
初步结果表明，ZnO/g-C3N4和Fe2O3/g-C3N4光催化剂具有优异的光催化性能，对有机污染物的降解效果优于纯的g-C3N4光催化剂。
进一步研究将对优化复合光催化剂的制备及其应用于环境治理领域具有重要的意义。
关键词：g-C3N4；光催化剂；ZnO；Fe2O3；复合材料Abstract:In this report, a novel g-C3N4 composite photocatalyst was designed and synthesized, and its photocatalytic performance was studied. Firstly, nanoscale g-C3N4 sheets were synthesized via a hydrothermal method using urea as the raw material. Then, ZnO andFe2O3 nanosize particles were prepared by solvent evaporation and ion exchange method, respectively. ZnO/g-C3N4 and Fe2O3/g-C3N4 photocatalysts were obtained by combining them with g-C3N4. Finally, the prepared composite photocatalysts were characterized by ultraviolet-visible diffuse reflectance spectroscopy, transmission electron microscopy, X-ray diffraction, and Fourier transform infrared spectroscopy, and their photocatalytic performance was investigated. Preliminary results showed that ZnO/g-C3N4 and Fe2O3/g-C3N4 photocatalysts exhibited excellent photocatalytic performance, which was better than pure g-C3N4 for the degradation of organic pollutants. Further research will be important for optimizing the preparation of composite photocatalysts and their application in environmental remediation.Keywords: g-C3N4; photocatalyst; ZnO; Fe2O3; composite material。
g-C3N4-TiO2异质结半导体材料的制备与光催化性能探究专业品质权威编制人：______________审核人：______________审批人：______________编制单位：____________编制时间：____________序言下载提示：该文档是本团队精心编制而成，期望大家下载或复制使用后，能够解决实际问题。
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《g-C3N4基复合材料的合成及其光催化降解有机污染物性能研究》摘要本篇研究旨在探究g-C3N4基复合材料的合成及其在光催化降解有机污染物方面的性能。
通过合成不同种类的g-C3N4基复合材料，本文将探讨其结构特性，以及在光催化降解过程中所表现出的性能。
实验结果表明，g-C3N4基复合材料具有良好的光催化性能，可有效降解有机污染物。
一、引言随着工业化的快速发展，有机污染物的排放已成为一个全球性的环境问题。
光催化技术作为一种环保、高效的处理方法，近年来备受关注。
g-C3N4作为一种新型的光催化材料，因其优异的可见光响应、良好的化学稳定性和制备简单等特点，受到了广泛关注。
然而，g-C3N4的光催化性能仍需进一步提高，以满足实际应用的需求。
因此，本研究旨在通过合成g-C3N4基复合材料，提高其光催化性能，并探究其在光催化降解有机污染物方面的应用。
二、g-C3N4基复合材料的合成1. 材料选择与制备本研究所采用的g-C3N4基复合材料主要包含g-C3N4与不同种类的催化剂或助剂进行复合。
具体制备过程包括前驱体的选择、热处理条件、催化剂或助剂的掺杂等步骤。
详细介绍了各步骤的参数设置及实验过程。
2. 结构表征通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）等手段，对合成的g-C3N4基复合材料进行结构表征。
分析了材料的晶型、形貌、粒径等参数，为后续的性能研究提供了基础。
三、光催化降解有机污染物性能研究1. 实验方法选择常见的有机污染物（如染料、农药等）作为研究对象，通过模拟太阳光照射，评价g-C3N4基复合材料的光催化性能。
实验过程中，详细记录了实验条件、操作步骤及数据记录方法。
2. 结果与讨论（1）光催化降解效率：在模拟太阳光照射下，g-C3N4基复合材料对有机污染物的降解效率明显高于纯g-C3N4。
通过对比不同复合材料的光催化性能，发现某些复合材料具有更高的光催化活性。
此外，还探讨了复合材料中各组分的比例对光催化性能的影响。
目录目录摘要 (I)Abstract (II)第1章绪论 (1)1.1前言 (1)1.2光催化材料发展简介 (1)1.3半导体材料光催化原理 (1)1.4石墨相氮化碳（g-C3N4）简介 (2)1.5提高g-C3N4光催化活性的主要方法 (3)1.6金属-有机框架的概述 (3)1.7本论文的主要研究内容 (4)第2章实验中的试剂、设备及其表征方法 (5)2.1实验试剂及仪器 (5)2.1.1原料与试剂 (5)2.1.2仪器设备 (5)2.2材料制备方法 (5)2.3材料表征手段 (6)2.3.1X射线衍射 (6)2.3.2扫描电子显微镜 (6)2.3.3傅里叶红外光谱 (6)2.3.4比表面积及孔隙测试 (6)2.3.5热重分析 (6)2.3.6紫外-可见漫反射/吸收光谱 (6)2.3.7气相色谱仪 (7)第3章冻干法制备C-ZIF@g-C3N4光催化材料及其性能研究 (8)3.1引言 (8)3.2实验部分 (8)3.2.1实验方法 (8)3.2.2样品的表征 (9)哈尔滨师范大学硕士学位论文3.2.3光催化测试 (9)3.3结果与讨论 (10)3.4本章小结 (18)第4章C-ZIF-67@g-C3N4光催化剂的制备及光催化性能的研究 (19)4.1引言 (19)4.2实验部分 (19)4.2.1样品制备 (19)4.2.2样品表征 (20)4.2.3光催化测试 (20)4.3结果与讨论 (20)4.4本章小结 (24)结论 (25)参考文献 (26)攻读硕士学位期间所发表的学术论文 (34)哈尔滨师范大学学位论文原创性声明 (35)哈尔滨师范大学学位论文版权使用授权书 (35)致谢 (36)摘要摘要高效率、低成本的光催化剂的开发对于能源转化和环境净化具有重要意义。
TiO2、ZnO等催化剂在光催化应用中的研究从未停止。
然而，这些金属氧化物光催化剂通常只能被紫外光激发，无法有效利用占太阳光谱绝大部分的可见及近红外区域。
g-C3N4/Ti-MOF复合材料的合成及其光催化性能(1.东北石油大学化学化工学院石油与天然气化工省重点实验室，黑龙江大庆163318; 2.东北石油大学机械科学与工程学院，黑龙江大庆163318)摘要：采用快速微波合成法合成了Ti-MOF(MOF，金属有机骨架材料)，并在其基础上合成新型可见光响应光催化剂g-C3N4/Ti-MOF。
通过X射线衍射、扫描电镜、EDS能谱仪、傅里叶变换红外光谱、N2吸附-脱附和紫外-可见漫反射光谱等手段对其进行表征，同时光催化还原Cr(Ⅵ)研究g-C3N4/Ti-MOF的光催化性能。
结果表明，g-C3N4/Ti-MOF 复合光催化剂在150 min内能还原92%的Cr(Ⅵ)，远远高于g-C3N4和Ti-MOF；同时g-C3N4/Ti-MOF复合光催化剂经过4次循环实验后仍能保持较稳定的光催化活性。
最后提出了g-C3N4/Ti-MOF复合材料光催化还原Cr(Ⅵ)的可能机理。
关键词：g-C3N4；复合光催化剂；金属有机骨架；光催化活性近年来，天然水体中的有毒重金属离子对环境造成严重的污染已逐渐引起人们的重视。
其中从电镀、鞣革、印刷、颜料和金属加工等行业中排放出来的六价铬(Cr(Ⅵ))是地表水和地下水中常见的重金属污染物，其具有高毒性、致癌性和高溶解特性，会对人类健康构成巨大威胁[1]。
因此人们使用膜分离、离子交换、化学沉淀、电还原、吸附等多种技术来除去废水中的Cr(Ⅵ)[2-3]。
由于三价铬(Cr(Ⅲ)) 对植物和人类无害，且在中性或碱性溶液中以较为稳定的Cr(OH)3形式存在，因此将Cr(Ⅵ) 还原成Cr(Ⅲ)被视为对其有效去除措施[4]。
半导体光催化剂还原Cr(Ⅵ)是一种经济有效的方法，且受到广泛关注。
金属有机骨架(MOF)是一类由金属离子与有机配体自组装形成的高度多孔晶体材料[5]，具有较高比表面积、晶体开放结构、可调节孔径和多功能性等优点，可用于H2储存、CO2捕获催化，制备光学材料等[6]；同时，MOF在光诱导催化、CO2还原、有机污染物降解和有机化合物转化等方面有独特应用[7]。
MIL-125(Ti) 是一种钛基MOF，由Ti8O8(OH)4-(O2C-C6H5-CO2)6基本单位组成，具有多孔三维准立方四方结构。
其光捕获能力差，光催化效果较低。
因此，研制优异的可见光响应型钛基MOF材料具有十分重要的意义[8]。
研究表明，利用贵金属沉积[9]、无机半导体耦合[10]，以及在有机配体中引入有机发色团等手段可提高MIL-125(Ti)光催化效率[11]。
其中NH2-MIL-53(Fe)显示了可见光响应下光催化还原Cr(Ⅵ)和分解有机污染物的优异性能[12]；六角微米棒MIL-88A对甲基蓝染料(MB)具有足够的稳定性和有效的脱色效果[13]；同时一些Zr-MOF也显示出具有降解有机污染物和降低Cr(Ⅵ)浓度的可见光响应光催化作用[14]。
近年来，g-C3N4以其可见光响应能力、易合成、高的化学稳定性和低的经济成本被许多研究者研究[15]。
g-C3N4中的C和N原子轨道sp2杂化，垂直于杂化轨道的p轨道内有未成对的单电子，p轨道发生重叠形成π共轭结构。
在可见光照射下，带隙较窄的g-C3N4吸收可见光能量形成π→π*跃迁，g-C3N4价带上的电子被激发到导带，同时在价带上留下空穴；但由于其带隙较窄，光生电子-空穴很容易发生复合，导致光生载流子的利用率不高[16]。
g-C3N4的带隙约为2.7 eV，可用于水裂解、CO2还原和水中污染物降解等。
同时g-C3N4的比表面积相对较低，为10～70 m2/g(具体大小取决于合成方法)[17]。
若具有较高的孔隙率和比表面积，则会对污染物的吸附能力增强，从而有利于光催化反应。
笔者采用一种快速微波合成法制备了g-C3N4/Ti-MOF 纳米复合光催化材料。
利用MOF材料的高比表面积和g-C3N4的光响应能力进行互补，以抑制电子-空穴高的复合速率，缩短反应周期。
在可见光照射下，对Cr(Ⅵ)在g-C3N4、Ti-MOF 和g-C3N4/Ti-MOF复合材料上进行光催化还原及重复实验，并提出该催化剂光催化还原Cr(Ⅵ)的可能机理。
1 实验部分1.1 试剂与仪器钛酸异丙酯、对苯二甲酸、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、甲醇、尿素、K2Cr2O7、二苯基碳酰二肼(DPC)、HCl、H2SO4，均为分析纯，国药集团化学试剂有限公司产品。
SEM/EDS，SIGMA 500(德国卡尔公司产品)；X射线衍射仪，D/MAX-2200(日本理学公司产品)；傅里叶变换红外光谱仪，Tensor27(德国BRUKER公司产品)；孔径比表面积分析仪，SSA-4300(北京彼奥德电子仪器公司产品)；紫外可见漫反射，UV-2550(岛津公司产品)；紫外-可见分光光度计，UV-2550(上海奥普勒仪器有限公司产品)；微波化学反应器，MCR-3(巩义市予华仪器有限公司产品)。
1.2 催化剂的制备1.2.1 g-C3N4的制备为防止尿素的升华，采用尿素溶液加热法合成g-C3N4纳米片[18]。
10 g尿素溶于15 mL H2O中，用HCl调节尿素溶液pH值为4～5，将尿素溶液在60 ℃下干燥12 h，然后转至马弗炉中加热至550 ℃，加热速率为10 ℃/min，保持2 h，最后得到超细化的g-C3N4纳米片。
1.2.2 g-C3N4/Ti-MOF的制备用微波法合成g-C3N4/Ti-MOF。
称取一定量的g-C3N4纳米片于20 mL DMF/甲醇体积比为1的混合溶液中，在微波化学反应器中超声分散，将钛酸异丙酯(0.6 mL)、1，4-苯二甲酸(0.3323 g)混合液加入蒸馏烧瓶中搅拌0.5 h，形成均一溶液。
再将其置于微波化学反应器中，微波辐射时间和温度分别为40 min 和120 ℃。
所得的凝胶状沉淀物用DMF多次离心洗涤，为除去多余溶剂，将其置于175 ℃下干燥，最终得到淡黄色产物即为g-C3N4/Ti-MOF。
不加g-C3N4，在相同条件下合成Ti-MOF[19]。
1.3 表征及光催化实验将制备的Ti-MOF、g-C3N4、g-C3N4/Ti-MOF样品采用SEM/EDS、XRD、FI-IR、BET、UV-Vis-DRS 等手段进行表征。
根据文献[20]，用硫酸调节Cr(Ⅵ)溶液pH值为2～3，采用1,5-二苯基卡巴肼法(DPC法)测定Cr(Ⅵ)质量浓度(Cr(Ⅵ)还原为Cr(Ⅲ))，对上述反应的光催化效率进行评价。
光催化实验如下：取50 mg催化剂样品，将其分散于50 mL质量浓度为10 mg/L的Cr(Ⅵ)溶液中，在黑暗中搅拌2 h，以确保Cr(Ⅵ)在催化剂表面达到吸附-解吸平衡。
将混合溶液置于500 W的氙灯下进行可见光降解，同时定时收集适量溶液离心分离，利用二苯碳酰二肼法(DPC)分光光度法在最大吸收波长540 nm处检测Cr(Ⅵ)质量浓度。
根据公式(1)计算出Cr(Ⅵ)的去除率(η)：(1)式中，C0和C t分别为吸附平衡后(即反应起始时间，t=0)和t时的Cr(Ⅵ)的质量浓度，mg/L。
此外，测试g-C3N4/Ti-MOF复合材料的可循环使用性。
该过程与前面提到的可见光活性测试类似。
每次光催化剂循环使用后，分离并进行洗涤，以达到去除残留Cr(Ⅵ)的目的，然后在80 ℃下干燥10 h后，可继续进行下一步的测试。
2 结果与讨论2.1 复合材料的物性表征2.1.1 晶相结构图1为Ti-MOF、g-C3N4和g-C3N4/Ti-MOF复合样品的XRD图谱。
由图1可见，Ti-MOF和g-C3N4的衍射峰与文献[21-22]报道的Ti-MOF和g-C3N4的衍射峰完全一致，表明成功合成了单一光催化剂。
在g-C3N4样品(JCPDS No.87-1526)中，13.06°和27.47°处的衍射峰对应于(100)和(002)晶面。
这是由于芳香烃段的面内结构堆积和层间堆积图1 Ti-MOF、g-C3N4/Ti-MOF及g-C3N4样品的XRD谱图Fig.1 XRD patterns of Ti-MOF, g-C3N4/Ti-MOF andg-C3N4 samples(1) Ti-MOF; (2) g-C3N4/Ti-MOF; (3) g-C3N4所造成的[23]。
在Ti-MOF样品谱图中，位于6.80°、9.48°、11.66°的衍射峰归属于Ti-MOF[24]的特征峰。
g-C3N4/Ti-MOF样品的XRD谱图中存在纯Ti-MOF和g-C3N4的特征峰，说明引入g-C3N4纳米薄层后，Ti-MOF的晶体结构并没有发生较大变化，表明成功制备了g-C3N4/Ti-MOF复合材料。
2.1.2 粒子形貌图2为Ti-MOF、g-C3N4和g-C3N4/Ti-MOF样品的形貌图和g-C3N4/Ti-MOF样品的EDS谱图。
由图2(a)可知：Ti-MOF样品呈不规则块状粒子，与文献[21]报道的Ti-MOF的形貌是一致的；由图2(b)可以看出，g-C3N4呈现出清晰的二维薄片状结构；由图2(c)可以看出，薄层状g-C3N4的引入导致Ti-MOF 的结构更趋向于不规则，并清晰观察到其表面有粗糙片状g-C3N4的存在，最终形成g-C3N4/Ti-MOF不规则块状产物。
复合材料的微观区域元素分布是通过EDS测试的，结果如图2(d)所示。
EDS谱图中存在O、C、N和Ti元素的强信号，不存在杂质峰，表明样品中只含有Ti、O、C和N等元素，结合XRD和SEM，可知g-C3N4/Ti-MOF复合材料的形成。
2.1.3 红外谱图图3中给出了Ti-MOF、g-C3N4和g-C3N4/Ti-MOF样品的红外光谱图。
由图3可见，对于Ti-MOF，以3300 cm-1为中心的大宽峰归属于吸附孔内的自由溶剂分子；在1662和1408 cm-1处的强峰属于骨架的伸缩振动，证实了Ti-MOF 骨架中存在二羧酸键；1013和740 cm-1处的峰归属于苯环的伸缩振动。
图3曲线(1)和(2)中，400～800 cm-1归属于O—Ti—O的伸缩振动[25]。
对于g-C3N4，可以清楚地观察到3个主要吸收区，3000～3500 cm-1的宽峰是由尿素的不完全缩聚与吸附在g-C3N4表面的水分子所产生的N—H和O—H伸缩振动引起；在1662、1408和1245 cm-1附近的特征峰为碳氮化物杂环的伸缩振动。
在图3曲线(1)和(3)中，809 cm-1处观察到的尖峰属于三嗪环[26]的弯曲振动模式。
此外，对于g-C3N4/Ti-MOF，可以清楚地观察到Ti-MOF光谱中的主要特征峰。
同时Ti-MOF中1000～1200 cm-1处的原始特征峰弱化，在g-C3N4/Ti-MOF中形成宽带。
