摘 要

伴随着经济的发展，人们越来越追求高品质的生活，环境污染、资源浪费等问题也随之而来，针对这些问题，世界各国也采取了各种应对方法，目前半导体光催化已成为最有前景的技术之一。一方面它能利用丰富的太阳能资源对污染物降解，另一方面化石燃料的燃烧也大大降低。石墨相氮化碳（g-C₃N₄）带隙宽度为2.7 ev，能直接吸收可见光^[1]，并且具有良好的化学稳定性、无毒、原料丰富且价格便宜而受到人们广泛的关注。但纯的g-C₃N₄材料作光催化剂时复合率较高，光催化性能一般^[2]，因此，需要对g-C₃N₄改性来改变表面界面性质，从而提高它光催化活性。

本文主要通过掺杂钌对g-C₃N₄进行改性。采用热解有机物的方法，在马弗炉中以550℃煅烧三聚氰胺3 h得到g-C₃N₄；用沉积法制得Ru@g-C₃N₄，但是效果不太明显，为了获得更好的光催化性能，我们尝试采用水热法制备Ru/TiO₂/ g-C₃N₄来探究其光催化性能。两者的方法都是控制RuCl₃的量以达到控制Ru的量，最终来讨论两种光催化剂对光催化性能的影响。

关键词：钌，氮化碳，光催化剂，可见光

Preparation and Properties of Ru@g-C₃N₄ Photocatalyst

Abstract

Resource shortage, serious environmental pollution and the speed of economic development, the contradiction between the people more and more obvious, the people of the demand for resources, environmental pollution problems strongly. In view of these problems, semiconductor photocatalysis has become one of the most promising technologies. On the one hand it can use a wealth of solar energy resources on the degradation of pollutants, on the other hand it can effectively reduce the burning of fossil fuels. Graphite phase carbon nitride (g-C₃N₄) bandgap width of 2.7ev, can directly absorb visible light, and has good chemical stability, non-toxic, rich raw materials and cheap and widespread concern. However, when used as a single semiconductor material, its photo-generated electron-hole pairs will have a high recombination rate, which leads to low photocatalytic activity of g-C₃N₄. Therefore, the photocatalytic activity of carbon monoxide is improved.

In this paper, g-C₃N₄ was modified by doping ruthenium. g-C₃N₄ was prepared by pyrolyzing organic matter at 550℃ for 3 hours. Ru@g-C₃N₄ was prepared by precipitation method. In order to further study the effect of cocatalyst on the photocatalytic performance of the semiconductor, we also carried out another experiment. Preparation of Ru/TiO₂/g-C₃N₄ by Hydrothermal Method. The two methods are to control the amount of RuCl₃ to achieve the amount of control Ru, and ultimately to discuss the two photocatalysts on the photocatalytic performance.

Key words: Ru, carbon nitride, photocatalyst, visible light

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2半导体光催化剂的机理 1

1.3 g-C₃N₄概述 3

1.3.1 g-C₃N₄的研究简介 3

1.3.2 g-C ₃N ₄的制备 4

1.4 常用的半导体光催化剂的改性技术 5

1.5本课题研究的意义 6

第二章 实验部分 8

2.1 实验试剂 8

2.2 实验仪器和装置 8

2.2.1实验中所用的主要仪器如表 8

2.2.2实验装置 9

2.3 原料制备 9

2.3.1 制备不同PH值的罗丹明溶液 9

2.3.2 纯g-C₃N₄的制备 10

2.3.3 Ru@ g-C₃N₄光催化剂的制备 10

2.3.4 水热法制备Ru/TiO₂/ g-C₃N₄光催化剂 10

2.3.5 光催化降解测试方法 11

第三章 结果与讨论 12

3.1 pH值对光催化剂的影响 12

3.2 光催化剂Ru@ g-C₃N₄的表征分析 12

3.2.1 XRD分析 12

3.2.2 FT-IR分析 13

3.3 Ru@g-C₃N₄的光催化性能分析 15

3.4 不同比例的钌对Ru/TiO₂/ g-C₃N₄光催化性能的影响 16

第四章 总结与展望 18

4.1 总结 18

4.2 展望 18

参考文献 20

致谢 23

第一章 绪论

1.1 引言

经济飞速发展，随之而来的是环境污染、资源浪费等问题层出不穷。寻找新型能源，如太阳能、风能、水能、核能等清洁能源迫在眉睫。而我们平时也必须要养成环保、节约的习惯。太阳能是一种干净的能源，资源丰富。太阳能有很多的用途，半导体光催化技术就是用途之一。它是依靠太阳能发展起来的。它既能减少资源的浪费，还能减轻水质污染。目前，科学家们对半导体光催化技术越来越关注，有以下两个原因：一是它能改善水质、降低土壤污染；二是光催化技术越来越成熟。

目前, g-C₃N₄光催化还存在很多问题，重视基础理论、发展创新思维将对这一领域提供帮助。光催化基本理论，包含g-C₃N₄和各种金属离子的合成，不同光催化剂的制备方法和工艺参数。同时也包括在改性条件下，如何维持其化学稳定性能，如何通过改性来改良光生电子和空穴的分离 ^[3]。为了解决这些问题，需要多门学科的配合，以此达到改性g-C₃N₄光催化剂的目的，再利用先进的表征方法对其表征 ^[4]。Ru@g-C₃N₄光催化体系占光催化中的比例还很小，仍处于开拓阶段，其发展前景十分可观。将会对我国提倡的绿色经济提供又一解决方案。

1.2半导体光催化剂的机理

半导体的导电性介于导体与绝缘体之间，其中禁带宽度大约在0.2～3.5 eV。它的禁带宽度决定了半导体具有一些重要的性质，比如对温度敏感、对光照敏感、对某些气体敏感、对压力敏感等性质。我们可以将半导体想象成由价带（VB）、导带(CB)、禁带^[3]组成。当一束太阳光通过半导体时，若入射光的能量大于等于光子跃迁所需能量时，电子获得能量从基态跃迁至激发态，即从价带向导带移动。此时价带上因失去电子而变成空穴，而导带上会得到价带上的电子。如果入射光的能量小于光子跃迁所需的能量时，将不会产生跃迁。价带由于失去了电子，所以具有很强的氧化性能，而导带得到电子，所以具有的很好的还原性，从而能和光催化剂发生氧化还原反应。

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