本文阐述了近年来石墨相C 3N 4非金属光催化剂及其复合光催化材料的研究。尤其是复合光催化剂,改善了单一石墨相C 3N 4催化剂的催化活性,光催化性能高,易合成且化学性质很稳定。概述了石墨相C 3N 4及其复合光催化剂在环境污染物处理、光电催化分解水产氧的应用。 This article describes the recent research on graphite phase C 3N 4 non-metal photocatalysts and their composite photocatalytic materials. In particular, the composite photocatalyst improves the catalytic activity of single graphite phase C 3N 4 catalyst, with high photocatalytic performance, easy synthesis and stable chemical properties. The application of graphite phase C 3N 4 and its composite photocatalyst in the treatment of environmental pollutants and the photocatalytic decomposition of aquatic oxygen was summarized.
郑芳芳,胡帅,徐科*,翁明金,谢齐霞,刘浩,秦超,乐柯宁,孙孝红
贵州师范学院化学与材料学院,贵州 贵阳
收稿日期:2020年4月7日;录用日期:2020年4月22日;发布日期:2020年4月29日
本文阐述了近年来石墨相C3N4非金属光催化剂及其复合光催化材料的研究。尤其是复合光催化剂,改善了单一石墨相C3N4催化剂的催化活性,光催化性能高,易合成且化学性质很稳定。概述了石墨相C3N4及其复合光催化剂在环境污染物处理、光电催化分解水产氧的应用。
关键词 :石墨相,C3N4,复合光催化材料
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光催化剂主要是一种高活性的催化剂,在光的条件下催化加快反应物的催化剂;使反应物加快分解,从而缩短时间,有明显效果,达到我们想要的好结果,且解决我们问题的一种手段。光催化剂具有高效、无毒或低毒、原料价廉易得、合成方法简单、化学性质稳定性好和热稳定性好,在解决能源危机和治理环境污染、光电催化分解水产氧问题方面有着重要意义等优点。不同光催化剂光照下在不同波长区域有不同光催化活性,石墨相C3N4由于在紫外光条件下具有较好的催化活性和化学稳定性,但由于禁带宽度较大 [
近几年来,随着环境严重的污染以及能源的短缺,人们把聚焦点放在如何改善环境和寻找新的材料上面,可见光光催化剂材料的研制受到人们极大关注,非金属光催化材料也是一个重要的研究的话题。非金属光催化剂研究最多的是石墨相氮化碳。
2009年,陈希峰 [
2013年,黄立英 [
2013年,张鹏飞 [
金属光催化剂主要有过渡金属催化剂、稀土金属催化剂、半导体金属催化剂 [
2006年,龙明策等 [
通过对污染物降解能力来探究其活性,将金属光催剂加入到有一定浓度的污染物中,打开反应光源,一定时间后进行观察,待反应不再进行时;取其上清液,对污染物进行测量吸光度,根据吸光度与浓度成正比,来计算污染物的浓度,进而算出污染物的浓度差值,来了解污染物的降解效果,从而确定金属光催化剂的活性性能;在进行结果对比时,发现无催化剂时,对污染物影响很小或没有影响,而加了金属催化剂有一定的降解效果,说明金属光催化剂具有一定的催化活性。但是,金属光催化剂的催化活性不理想,因此对它进行改性研究。
2011年,杨骏等 [
由于金属光催化剂大多都属于金属氧化物,这些金属氧化物大多属于离子化合物,它们之间存在离子键,容易得电子或失电子,容易得到电子的金属氧化具有较强的氧化性,进而让失去电子的反应物而被氧化,这个是它的基本特性;在光催化剂另一个金属光催化剂活性的原因是:当催化剂受到光照时,处于较低能量的低能态获得能量,而使低能态的电子发生跃迁,电子跃迁到高能态,这时处于低能量的低能态产生空穴;因此,金属光催化剂具有很强的氧化性,进而和反应物发生催化反应,加快反应物的分解;所以,这是金属光催化剂具有活性的原因 [
由于光催化剂单体的光催化活性不是很理想,因此将进行做出改性,改性过后对污染物降解效果明显增加,所以,将进行探究。复合光催化剂主要有金属与金属的复合光催化剂、金属与非金属的复合光催化剂、和非金属与非金属的复合光催化剂,本文将进行主要介绍金属与非金属复合光催化剂。金属与非金属复合光催化剂主要是以石墨相氮化炭为母体复合的光催化剂,进行改性过后的光催化剂,催化活性明显提高了。
2013年,黄立英 [
通过对污染降解程度,来研究金属氧化物与石墨相碳化碳复合材料在可见光照射条件下的光催化活性。催化机理如图1,图2:
图1. g-C3N4光催化析氢机理 [
图2. LaFeO3/g-C3N4光催化亚甲基蓝和析氢机理 [
从图1中可以看出,光照条件下,当光能大于或等于g-C3N4的禁带宽度,电子从价带跃迁至导带,在g-C3N4材料的表面产生电子–空穴对。但从图2 LaFeO3/g-C3N4的光催化机理可以看出,g-C3N4的禁带宽度为2.82 ev [
以LaFeO3/g-C3N4为例,将一定的复合光催化剂加入到具有一定浓度的污染物溶液中,在避光的条件下进行静止一段时间后,在不同类型光源下,在不同时间内测定污染物溶液的吸光度,根据溶液的吸光度计算出污染物的降解率。见图3,图4 [
从图3,图4中可以看出,当以LaFeO3与g-C3N4复合后,催化剂对亚甲基蓝的降解率大幅提高,LaFeO3/g-C3N4对亚甲基蓝的降解率可达90%以上。根据对污染物的降解的程度,实验表明,复合材料与单体相比具有更高的可见光催化活性。影响复合材料的光催化活性的因素很多,例如,污染物的浓度的大小、光催化剂的含量比的多少(见表1)、比表面积的大小、以及温度、酸碱度和压强等,都会影响对污染物的降解。
图3. 3W白炽灯下LaFeO3-C3N4光催化降解亚甲基蓝 [
图4. 3W LED下LaFeO3-C3N4光催化降解亚甲基蓝 [
样品编号 | LaFeO3百分含量 | C3N4 | Fe(NO3)3 | La(NO3)3 | 样平总量 |
---|---|---|---|---|---|
CN-1 | 0.00 | 2 g | -- | -- | 2.0 g |
LF-1 | 0.05 | 2 g | 0.17 g | 0.18 g | 2.1 g |
LF-2 | 0.10 | 2 g | 0.34 g | 0.36 g | 2.2 g |
LF-3 | 0.20 | 2 g | 0.68 g | 0.72 g | 2.4 g |
LF-4 | 0.40 | 2 g | 1.36 g | 1.44 g | 2.8 g |
表1. C3N4复合LaFeO3的配比 [
2013年,桂明生等 [
2013年,常春 [
2010年,李发堂等 [
本文通过介绍石墨相C3N4非金属光催化剂单一相金属光催化剂和石墨相C3N4复合光催化剂的研究,阐述了光催化剂对污染物的降解效果的大小,分析了光催化剂的光催化活性,和光催化剂活性的机理,从而了解光催化剂的活性、应用领域、优缺点。石墨相C3N4复合材料光催化活性提高的主要原因在于复合光催化剂之间形成异质结结构、比表面积的增大、吸光能力增强、和处于低能量的低能态电子的有效分离等。这些不在是单体光催化剂所拥有的,复合光催化剂的合成,将在一些方面代替单体光催化剂。
省级贵州师范学院大学生创新训练计划项目,编号20195201029;国家级贵州师范学院大学生创新训练计划项目,编号20195200196。
郑芳芳,胡 帅,徐 科,翁明金,谢齐霞,刘 浩,秦 超,乐柯宁,孙孝红. 石墨相C3N4及其复合光催化剂研究进展Research Progress of Graphite Phase C3N4 and Its Composite Photocatalyst[J]. 化学工程与技术, 2020, 10(03): 146-152. https://doi.org/10.12677/HJCET.2020.103020