摘 要

石墨相氮化碳（g-C₃N₄）作为一种原料易得、成本低廉的新型非金属光催化剂，具有独特的电子能带结构和较高的热稳定性和化学稳定性，一出现就受到了人们的广泛关注，并且迅速成为光催化领域的研究热点。但通常制备的g-C₃N₄光催化活性不高。本研究采用非贵金属助催化剂复合改性的方法，以g-C₃N₄为光催化剂，FeNiS_x为助催化剂，制备了g-C₃N₄/FeNiS_x复合光催化材料以提高g-C₃N₄的光催化性能。具体地，首先采用二次热聚合法制备了g-C₃N₄光催化剂，随后采用两步水热法制备了g-C₃N₄/FeNiS_x复合光催化材料，并通过各种测试技术手段对其微观形貌和结构进行了表征，通过测试其光催化产氢活性来评价其光催化性能。

研究结果表明，制备出的g-C₃N₄/FeNiS_x复合光催化剂，其表面形貌、比表面积、孔体积和孔径都与g-C₃N₄相似，都具有纳米片状结构。与纯的g-C₃N₄相比，g-C₃N₄/FeNiS_x复合光催化剂的光吸收能力表现出了明显的提高。此外，其荧光强度也明显减小，表明其电子-空穴复合率也得到了有效降低。因此，复合后的光催化产氢活性有了明显提高，尤其是当FeNiS_x的含量为2%时，产氢活性最高。g-C₃N₄/FeNiS_x复合光催化材料具有优异的光催化产氢性能，因而在太阳能光催化领域具有十分广阔的应用前景。

关键词: g-C₃N₄；FeNiS_x；复合光催化剂；非贵金属助催化剂；光催化

Abstract

As a new kind of metal-free photocatalyst, the graphitic carbon nitride (g-C₃N₄) has attracted dramatically increasing interest and become a hot material in the area of photocatalysis due to its unique electronic band structure, high thermal and chemical stability, and low-cost raw materials. However, commonly prepared g-C₃N₄ usually shows a weak photocatalytic activity. In this thesis, to improve the photocatalytic performance of g-C₃N₄, we prepared g-C₃N₄/FeNiS_x composite photocatalyst using g-C₃N₄ as the photocatalyst and FeNiS_x as the cocatalyst. Particularly, g-C₃N₄ photocatalyst was prepared by the two-step thermal polymerization, and then g-C₃N₄/FeNiS_x composite photocatalyst was prepared by a two-step hydrothermal method. Furthermore, the morphology and structure of g-C₃N₄/FeNiS_x composite photocatalyst were characterized by various techniques, and its photocatalytic properties were evaluated by photocatalytic hydrogen production.

The results show that the surface morphology, specific surface area, pore volume and pore diameter of prepared g-C₃N₄/FeNiS_x composite photocatalyst are similar to that of g-C₃N₄. And both two have the nano-sheet structure. The light absorption of g-C₃N₄/FeNiS_x composite photocatalyst showed a significant improvement compared to that of pure g-C₃N₄. Furthermore, the photoluminescence intensity of the composite photocatalyst was significantly reduced as a result of the effective reduction of the electron-hole recombination. Therefore, the photocatalytic hydrogen generation activity was improved obviously. Particularly, the composite photocatalyst had the highest hydrogen generation activity when the content of FeNiS_x was 2%.The g-C₃N₄/FeNiS_x composite photocatalyst exhibits excellent performance for photocatalytic hydrogen production, thus showing a wide prospect in the field of photocatalysis.

Key words: g-C₃N₄；FeNiS_x；composite photocatalyst；non-noble-metal cocatalyst；photocatalysis

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 背景及意义 1

1.2 g-C₃N₄概述 1

1.2.1 g-C₃N₄的结构与性质 1

1.2.2 g-C₃N₄的光催化原理 2

1.2.3 g-C₃N₄的制备方法 3

1.2.4 g-C₃N₄的局限性 4

1.3 g-C₃N₄的改性方法 4

1.3.1 厚度调控 4

1.3.2 形貌调控 5

1.3.3 元素掺杂 5

1.3.4 共聚合 6

1.3.5 染料敏化 6

1.3.6 半导体复合 7

1.3.7 构建g-C₃N₄同型异质结 7

1.3.8 贵金属助催化剂复合改性 7

1.3.9 非贵金属助催化剂复合改性 8

1.4研究思路及创新点 8

1.4.1 研究思路 8

1.4.2 创新点 9

1.4.3 预期目标 9

第2章 实验设计 10

2.1 实验内容 10

2.1.1 g-C₃N₄及g-C₃N₄/FeNiS_x样品的制备 10

2.1.2 光催化产氢性能研究 10

2.2 试剂与仪器 10

2.2.1 实验所用试剂及原料 10

2.2.2 实验所用设备和仪器 11

2.3 实验过程 12

2.3.1 二次热聚合法制备g-C₃N₄光催化剂 12

2.3.2 两步水热法制备g-C₃N₄/FeNiS_x复合光催化材料 12

2.4 样品表征及测试 12

2.4.1 扫描电子显微镜分析(SEM) 12

2.4.2 透射电子显微镜分析(TEM) 13

2.4.3 X射线衍射分析(XRD) 13

2.4.4 紫外-可见漫反射光谱分析（UV-vis DRS） 13

2.4.5 氮气吸附-脱附等温线及孔径分布曲线分析 13

2.4.6 荧光光谱分析 13

2.4.7 光催化产氢性能测试 13

第3章 实验结果分析与讨论 15

3.1 表面形貌分析 15

3.2 物相和晶体结构分析 17

3.3 紫外-可见漫反射光谱分析（UV-vis DRS） 17

3.4 BET分析 18

3.5 荧光光谱分析 19

3.6 光催化产氢性能分析 20

3.7 光催化活性增强机理分析 21

第4章 结论和展望 22

4.1 结论 22

4.2 展望 22

参考文献 23

致 谢 27

第1章 绪论

1.1 背景及意义

自从英国的工业革命以来，人类开始步入工业化社会，工业文明在提升社会生产力、创造巨大社会财富的同时，也在不断地消耗地球资源，对环境造成了极大的破坏。现阶段，能源短缺和环境污染问题已经给人类生活带来了巨大的负面影响，成为人类社会可持续发展不可忽视的问题。因此，为了守护我们赖以生存的环境，实现社会的可持续发展，发展清洁、可再生能源成为当今社会亟待解决的难题。

太阳能是一种可再生清洁能源，开发经济高效的光催化剂以最大化对太阳能的利用，是光催化领域非常重要的研究方向，也是解决当前能源短缺和环境污染问题的重要途径。科学家们正致力于开发一种经济、高效、稳定的光催化剂，TiO₂作为传统光催化材料的代表，已经受到学者们的广泛关注，其研究成果已十分丰富。