摘 要

随着人类社会的生活水平和科学技术的日益提高和发展，对能源的需求也日益加大，而石油、煤、天然气这三大类传统的化石燃料却随着时间日益枯竭，使得人类社会面临着日益严峻的能源危机；除此之外，科技进步的同时也伴随着严重的环境污染，日益恶化的环境时时刻刻都在威胁着人类的健康生活。因此，面对环境污染和能源危机这两大当今世界性的难题，开发能够高效利用太阳光能的光催化材料已经成为了材料科学、环境科学、化学等等学科领域的研究热点，且对人类的可持续发展及生存具有重要的意义。在种类众多的光催化材料中，石墨相氮化碳（g-C₃N₄）是一种新型的有机半导体光催化剂，具有热稳定性、化学稳定性、光学以及光电化学稳定性并且还对可见光响应等优点。然而，g-C₃N₄也有诸如导电能力差、比表面积小以及光生电子和光生空穴易复合等等许多缺点。本文主要围绕如何提高g-C₃N₄基半导体光催化材料的光催化活性和相关反应机理等方面的研究进行了如下的工作：

Ag₂WO₄/g-C₃N₄纳米复合光催化剂是通过在550 ℃的温度下简单地加热煅烧三聚氰胺制得g-C₃N₄，然后通过离子共沉淀法制得Ag₂WO₄纳米棒，最后通过简单混合g-C₃N₄和Ag₂WO₄并搅拌蒸干的方法从而复合而成Ag₂WO₄/g-C₃N₄纳米复合光催化剂。合成的Ag₂WO₄/g-C₃N₄纳米复合物作为光催化剂在模拟太阳光照射的条件下降解水溶液中的有机物染料—甲基橙。在100分钟的光照过程中，Ag₂WO₄/g-C₃N₄复合物降解甲基橙的效率达到了80%以上，远远高于单组分的Ag₂WO₄和g-C₃N₄。Z型光催化机理被用来阐述复合物Ag₂WO₄/g-C₃N₄中的光生电子–空穴的转移过程和活性自由基的生成过程。在这一工作表明我们可通过简单的方法将g-C₃N₄和其他半导体光催化剂复合，从而形成复合光催化材料，大大提高单组分光催化剂的光催化活性。

关键词：g-C₃N₄，Ag₂WO₄，光催化，降解

Abstract

With the enhancement of people’s living standard and improvement of technology, the demand for energy is rapidly increasing. The three traditional main fossil fuels of oil, coal and natural gas are becoming depleted, thus, human will face significant energy crisis. Apart from that, the advanced science and technology also accompany dangerous environment pollution which always threats the healthy life of people. Therefore, in order to deal with energy crisis and environment pollution, the two biggest problems we confront nowadays, the development of photocatalysts with high utilization efficiency of solar energy has become a hot research topic covering materials science and engineering, chemistry and environmental science and engineering, which would benefit human and their offspring. Among various photocatalysts, graphitic carbon nitride (g-C₃N₄) is a novel organic semiconductor catalyst and it has many advantages, such as good thermostability, chemical stability, optical and photoelectrochemical stability, and visible-light response. However, some disadvantages, such as high recombination rate of photogenerated electron–hole pairs, low conductivity and specific surface area, still limit the application of g-C₃N₄. In this work, our research focus on improving the photocatalytic acitivity of g-C₃N₄ based semiconductor catalysts. The main content can be summarized as follow:

Firstly, g-C₃N₄ was synthesized by directly heating melamine in a muffle furnace at 550 ℃. Then, Ag₂WO₄ was prepared by ions coprecipitation method. Finally, Ag₂WO₄/g-C₃N₄ nanocomposite was prepared by chemically mixing Ag₂WO₄ and g-C₃N₄. The prepared Ag₂WO₄/g-C₃N₄ nanocomposite was used as photocatalyst to photocatalytic removal of methyl orange (MO) under the simulated solar irradiation. After 100 min of light irradiation, the Ag₂WO₄/g-C₃N₄ sample had a photocatalytic MO-degradation efficiency of 80%, which was larger than that of pure Ag₂WO₄ and g-C₃N₄. Z-scheme photocatalytic mechanism was used to illustrate the charge transfer and production of active free radicals in the Ag₂WO₄/g-C₃N₄ nanocomposite. This work demonstrates that we can synthesize g-C₃N₄ with other kinds of catalyst to form g-C₃N₄ based semiconductor nanocomposite by simple method. In this way, the photocatalytic acitivity of the nanocomposite photocatalysts will be increased significantly.

Keywords: g-C₃N₄, Ag₂WO₄, photocatalyst, degradation

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1. 引言 1

1.2. 半导体光催化技术 2

1.2.1 半导体光催化机理 2

1.2.2 光催化活性的主要影响因素 3

1.3. 光催化技术的研究现状、发展方向以及要解决的问题 4

1.4. 光催化技术的改良途径 6

1.5. 可见光响应半导体光催化材料的研究现状 7

1.5.1 二氧化钛光催化剂的可见光化 8

1.5.2 新型可见光响应的光催化材料 8

第二章 Ag2WO4/g-C3N4复合光催化材料的制备及其光催化活性 10

2.1. 引言 10

2.2. 实验部分 11

2.2.1 光催化剂样品的合成 11

2.2.2表征手段 12

2.2.3光催化活性的检测 12

2.3. 结果与讨论 12

2.3.1 相结构与形貌 12

2.3.2 FT-IR光谱 15

2.3.3 比表面积与孔径分布 16

2.3.4 紫外可见漫反射光谱 17

2.3.5 荧光光谱 18

2.3.6 光催化活性 19

2.4. 反应机理 20

第三章 结 论 21

参考文献 22

致 谢 25

第一章 绪论

1.1. 引言

自20世纪以来，人类科技的快速发展在给人们带来更加舒适和便利的生活同时也造成了日益严峻的负面影响，譬如环境恶化以及能源危机等。近些年来，全球变暖、臭氧层空洞以及生物多样性的消失等等问题，都是生态环境不断恶化所导致的直接后果。为了人类共同生存的家园，解决环境污染问题迫在眉睫，且这已经成为人类社会能否继续存在与发展的关键。

对于环境问题的治理，传统的化学污染处理方法主要有如下几种：物理吸附法、化学氧化法、高温焚烧法和微生物处理法，这些污染处理方法对环境问题的治理与生态系统的保护起到了重大作用。但是这些污染处理技术存在着不同程度地问题及缺陷，譬如处理效率低，不能有效彻底的除去所有污染物，易产生二次污染；一种污染处理技术只能对应特定的有机污染物范围，造成使用范围窄，效率低；处理过程能耗高，不适合大规模使用等^[1]。鉴于以上因素，开发和研究适用范围广、高效低耗能和有较深氧化能力的治理化学污染技术是长久以来世界范围内的焦点问题。